[論文レビュー] Search for Long-Lived Heavy Neutral Leptons with Lepton Flavour Conserving or Violating Decays to a Jet and a Charged Lepton

Hayrapetyan, Aram, Aram Hayrapetyan+2337 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 75被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、CERNのCMS実験で得られた138 fb⁻¹のデータを用いて、13 TeVの陽子-陽子衝突において長寿命の重い中性レプトン（HNL）の探索を実施する。深層ニューラルネットワークを用いたジェットタッカーを採用し、HNLがレプトンとクォークに崩壊する際に生成されるずれたジェットを同定する。本分析では、3つのレプトン世代を同時に探査し、これまでで最も厳しい制限を設定する。10 GeVの質量を持つディラック（メジャークラス）HNLに対して、95%信頼水準で|VµN|² > 5 × 10⁻⁷（4 × 10⁻⁷）を除外し、それぞれ17 mm（10 mm）の固有崩壊長に対応する。

ABSTRACT

A search for long-lived heavy neutral leptons (HNLs) is presented, which considers the hadronic final state and coupling scenarios involving all three lepton generations in the 2-20 GeV HNL mass range for the first time. Events comprising two leptons (electrons or muons) and jets are analyzed in a data sample of proton-proton collisions, recorded with the CMS experiment at the CERN LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. A novel jet tagger, based on a deep neural network, has been developed to identify jets from an HNL decay using various features of the jet and its constituent particles. The network output can be used as a powerful discriminating tool to probe a broad range of HNL lifetimes and masses. Contributions from background processes are determined from data. No excess of events in data over the expected background is observed. Upper limits on the HNL production cross section are derived as functions of the HNL mass and the three coupling strengths $V_{\ell\mathrm{N}}$ to each lepton generation $\ell$ and presented as exclusion limits in the coupling-mass plane, as lower limits on the HNL lifetime, and on the HNL mass. In this search, the most stringent limit on the coupling strength is obtained for pure muon coupling scenarios; values of $\lvert V_{\mu\mathrm{N}} vert^{2}\gt $ 5 (4)$ imes$10$^{-7}$ are excluded for Dirac (Majorana) HNLs with a mass of 10 GeV at a confidence level of 95% that correspond to proper decay lengths of 17 (10) mm.

研究の動機と目的

• 寿命が10⁴ mmまでに達する2–20 GeVの質量範囲の長寿命HNLを探索すること。
• 電子、ミューオン、タウの3つのレプトン世代に対するHNL結合を同時に探査し、レプトンフレーバー保存および非保存の両方の状況を含めること。
• HNL崩壊に起因するずれたジェットを同定するための、新規の深層ニューラルネットワークベースのジェットタッカーを開発・適用すること。
• データ駆動型バックグラウンド推定を用いて、HNL生成断面積、結合強度、固有崩壊長に対する除外限界を設定すること。
• 従来の探索手法が単一のレプトン世代への結合に限定していたのに対し、より広い感度を向上させること。

提案手法

• 深層ニューラルネットワークを、ジェットの運動量的特徴および部分構成要素の構造的特徴を用いて、HNL崩壊に起因するジェットを同定するようにトレーニングする。
• ネットワークは、ジェット質量、トラック多重度、インパクトパラメータ、二次頂点の性質などの入力変数を用い、ずれたHNL崩壊ジェットとプロンプトジェットを区別する。
• 分析では、2つのレプトン（e, μ）とジェットを含むイベントを選択し、1つのレプトンはプロンプトで、もう1つはHNL崩壊に一致するずれたものとする。
• バックグラウンド寄与は、制御領域を用いて直接データから推定し、シミュレーションへの依存を最小限に抑える。
• 除外限界は、信号およびバックグラウンドモデルの不確実性を考慮したCLs法を用いて導出する。
• 本探索は、VℓNがe、μ、τの全結合空間をカバーし、ディラックおよびメジャークラスHNLの両方の感度を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2–20 GeVの質量範囲における長寿命HNLのミューオン（VμN）結合に対する、最も厳しい除外限界は何か？ これは、ずれた崩壊を示すHNLを想定している。
• RQ2 従来の手法と比較して、深層ニューラルネットワークを用いたジェットタッカーは、HNL崩壊に起因するずれたジェットを同定する際にどの程度効果的か？
• RQ3 ディラックおよびメジャークラスHNLの両方について、HNLの固有崩壊長（cτ₀）の感度限界は、全結合空間においてどのように変化するか？
• RQ4 1つのレプトン世代への結合に限定するのではなく、複数のレプトン世代への混合結合を許容した場合、除外限界はどのように変化するか？
• RQ5 レプトンフレーバー保存と非保存の両方の崩壊モードを含めた場合、全体の感度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• データにおいて、期待されるバックグラウンドを超える顕著な過剰事象は観測されなかった。
• 10 GeVのディラックHNLに対して、|VµN|² > 5 × 10⁻⁷ が95%信頼水準で除外され、これは17 mmの固有崩壊長に対応する。
• 10 GeVのメジャークラスHNLに対して、|VµN|² > 4 × 10⁻⁷ が95%信頼水準で除外され、これは10 mmの固有崩壊長に対応する。
• 2–20 GeVの質量範囲において、HNL結合に対してこれまでで最も厳しい限界を設定した。特に、純粋なミューオン結合の状況において顕著である。
• 深層ニューラルネットワークを用いたジェットタッカーは、ずれたジェットに対する感度を顕著に向上させ、cτ₀が最大10⁴ mmに達する長寿命HNLの探査を可能にした。
• 除外限界は、HNL質量と結合強度の関数として提示され、3つのレプトン世代およびディラック・メジャークラスHNLの両方をカバーしている。