[논문 리뷰] Search for Heavy Neutral Leptons in Decays of $W$ Bosons Using a Dilepton Displaced Vertex in $\sqrt{s}$ = 13 TeV pp Collisions with the ATLAS Detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 13 TeV 양성자-양성자 충돌에서 139 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 무거운 중성 렙톤(HNL)을 탐색한다. HNL은 W 보손의 붕괴에서 생성되며, 이격된 이레프톤 꼬리(이중 렙톤 꼬리)로 붕괴된다. 신호는 관측되지 않았으며, 정상 및 역전 뉴트리노 질량 계층에서 단일 및 다중 플레버 혼합 시나리오에 대해 3 GeV < m_N < 15 GeV 범위에서 HNL 혼합 매개변수에 대한 새로운 배제 한계가 설정되었다.

ABSTRACT

A search for a long-lived, heavy neutral lepton $\mathcal{N}$ in 139 fb$^-1$ of $\sqrt{S}$ = 13 TeV $pp$ collision data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is reported. The $\mathcal{N}$ is produced via $W o$$\mathcal{N}$ $\mu$ or $W o$$\mathcal{N}e$ and decays into two charged leptons and a neutrino, forming a displaced vertex. The $\mathcal{N}$ mass is used to discriminate between signal and background. No signal is observed, and limits are set on the squared mixing parameters of the $\mathcal{N}$ with the left-handed neutrino states for the $\mathcal{N}$ mass range 3 GeV &lt; $m_\mathcal{N}$ &lt; 15 GeV. For the first time, limits are given for both single-flavor and multiflavor mixing scenarios motivated by neutrino flavor oscillation results for both the normal and inverted neutrino-mass hierarchies.

연구 동기 및 목표

• W → Nℓ를 통해 생성되고 이격된 이레프톤 꼬리로 붕괴되는 장수하는 무거운 중성 렙톤(HNL)을 탐색하기 위해.
• 단일 플레버 및 다중 플레버 혼합 시나리오에 대해 HNL 혼합 매개변수 |Uα|²에 대한 새로운 배제 한계를 설정하기 위해.
• 정상 및 역전 뉴트리노 질량 계층을 포함하여 HNL 모형이 뉴트리노 진동과 렙톤 생성 메커니즘을 설명하는 데 가능성이 있는지 조사하기 위해.
• 6개의 최종 상태(예: μ−μμ, e−ee, μ−μe)를 분석하고 렙톤 수 보존 및 비보존 붕괴 모드를 구별함으로써 감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 신호 샘플은 Pythia 8.212와 A14 튜닝, NNPDF2.3lo PDF를 사용하여 시뮬레이션하였으며, 추가적인 pp 상호작용로 인한 피루업 효과를 포함하였다.
• W 보손 붕괴 제품 간의 스핀 상관관계는 HeavyN 모델을 사용한 MadGraph5_aMC@NLO 2.9.3 기반의 이벤트 가중치 조정을 통해 보정하였다.
• 분석은 프롬프트 렙톤(ℓα)과 반대 전하를 가진 두 렙톤(ℓβℓγ)으로부터 재구성된 이격된 꼬리(버전)를 포함한 최종 상태에 집중하였다. 이는 내부 검출기 트래킹을 통해 수행되었다.
• HNL 질량이 3 GeV에서 20 GeV 사이이고, 적절한 붕괴 길이가 1, 10, 100 mm일 경우의 신호 감도를 평가하였다.
• 버전 이격도 및 렙톤 플레버 식별 기준을 포함한 운동학적 및 위상적 조건을 통해 배경를 억제하였다.
• LNC(레프톤 수 보존)만을 고려하는 디랙 극한과 LNC 및 LNV(레프톤 수 비보존) 붕괴 분율이 동일한 메이저라 극한에서 각각의 한계를 추출하였으며, μ−μe 및 e−eμ 채널에서 플레버별로 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 플레버 혼합 시나리오에서 HNL 질량이 3 GeV에서 15 GeV 사이일 경우, HNL 혼합 매개변수 |Uα|²에 대한 배제 한계는 무엇인가?
• RQ2 다중 플레버 HNL 모형에서 정상 및 역전 뉴트리노 질량 계층 간에 한계는 어떻게 다를까?
• RQ3 ATLAS 실험은 LNC 및 LNV 붕괴 모드 모두에서 이격된 이레프톤 꼬리로 붕괴하는 HNL에 대해 경쟁 가능한 한계를 설정할 수 있는가?
• RQ4 다양한 최종 상태(예: μ−μμ, e−ee, μ−μe)를 포함함으로써 단일 채널 분석 대비 감도는 어떻게 향상되는가?
• RQ5 μ−μe 및 e−eμ 채널에서 렙톤 플레버 의존성 식별이 LNC 및 LNV 붕괴 모드를 구별하는 데 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 139 fb⁻¹의 13 TeV pp 충돌 데이터에서 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 이로 인해 HNL 혼합 매개변수에 대한 상한이 도출되었다.
• 단일 플레버 혼합 시나리오에서 3 GeV < m_N < 15 GeV 범위에서 |Uμ|²에 대한 배제 한계가 설정되었으며, 이는 이전 ATLAS 탐색보다 감도가 향상되었다.
• 다중 플레버 HNL 모형에서 |Ue|² 및 |Uτ|²에 대한 한계가 처음으로 설정되었으며, 정상 및 역전 뉴트리노 질량 계층 모두를 포함하였다.
• 디랙 극한(LNC-단독)과 메이저라 극한(LNC 및 LNV 분율이 동일) 모두에서 한계가 설정되었으며, 후자의 경우 더 강력한 제약 조건이 적용되었다.
• 다양한 최종 상태(예: μ−μe, e−eμ)의 포함으로 다중 플레버 혼합에 대한 감도가 향상되었으며, 특히 메이저라 극한에서 두드러졌다.
• 결과는 기존의 Ref. [22]의 한계를 대체하고 향상시켰으며, 특히 플레버 분리가 감도를 향상시키는 μ−μe 및 e−eμ 채널에서 두드러졌다.