[논문 리뷰] Search for heavy neutral leptons in electron-positron and neutral-pion final states with the MicroBooNE detector

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko외 186명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 11.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy참고 문헌 34인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 마이크로부운(MicroBooNE) 액체 헬륨 타임 프로젝션 카트리지(LArTPC) 검출기에서 전자-양전자 및 중성 페존 최종 상태에서 무거운 중성 렙톤(HNLs)을 위한 첫 번째 탐색을 제시한다. 34에서 175 MeV 사이의 HNL 질량에 대해, NuMI 비드에서 유도된 운동 가능 범위 전체를 커버하는 바탕으로, |Uμ4|² 혼합 행렬 원소에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정한다.

ABSTRACT

We present the first search for heavy neutral leptons (HNL) decaying into $νe^+e^-$ or $νπ^0$ final states in a liquid-argon time projection chamber using data collected with the MicroBooNE detector. The data were recorded synchronously with the NuMI neutrino beam from Fermilab's Main Injector corresponding to a total exposure of $7.01 imes 10^{20}$ protons on target. We set upper limits at the $90\%$ confidence level on the mixing parameter $\lvert U_{μ4} vert^2$ in the mass ranges $10\le m_{ m HNL}\le 150$ MeV for the $νe^+e^-$ channel and $150\le m_{ m HNL}\le 245$ MeV for the $νπ^0$ channel, assuming $\lvert U_{e 4} vert^2 = \lvert U_{τ4} vert^2 = 0$. These limits represent the most stringent constraints in the mass range $35

연구 동기 및 목표

• 마이크로부운 실험의 데이터를 이용해 νe⁺e⁻ 및 νπ⁰ 최종 상태에서의 무거운 중성 렙톤(HNLs)을 탐색한다.
• 10–385 MeV 질량 범위의 HNL에 대해 혼합 행렬 원소 |Uμ4|²에 대한 새로운 엄격한 제약 조건을 설정한다.
• LArTPC 검출기를 이용해 쿼크 및 전자기 최종 상태로의 HNL 붕괴에 대한 감도를 확장한다.
• 이전에 탐색되지 않은 채널인 νπ⁰ 최종 상태로의 HNL 붕괴에 대한 첫 번째 실험 결과를 제공한다.
• 150–245 MeV의 중간 질량 범위를 커버함으로써 기존의 페존 및 뮤온 붕괴에서의 제약 조건을 보완한다.

제안 방법

• 마이크로부운 검출기가 수집한 NuMI 비드에서 1.1×10²⁰개의 프로톤-타겟 충돌 데이터를 활용하였다.
• 고정밀도로 양성자 및 중성 입자를 재구성하기 위해 액체 헬륨 타임 프로젝션 카트리지(LArTPC)를 사용하였다.
• 정점 및 구조 재구성, 특히 π⁰ 붕괴의 광자 재구성까지 포함된 e⁺e⁻ 및 π⁰ 최종 상태의 이벤트 선택 및 재구성을 수행하였다.
• 운동학적 피팅 및 불변 질량 재구성을 적용하여 νe⁺e⁻ 및 νπ⁰ 최종 상태에서 HNL 붕괴를 식별하였다.
• 배경 추정 및 제어 영역을 사용하여 90% 신뢰 수준에서 HNL 신호 수확의 상한선을 설정하였다.
• 같은 |Uμ4|²에서 Majorana HNL보다 붕괴 폭이 두 배로 작기 때문에, Dirac HNL의 결과는 √2로 스케일링하였다.

Figure 1: Branching ratios for Majorana HNL decays with $\lvert U_{\mu 4}\rvert^{2}>0$ in the range $0\leq{m_{\mathrm{HNL}}}\leq 300$ MeV calculated with the equations of Ref. [ 9 ] , assuming $\lvert U_{e4}\rvert^{2}=\lvert U_{\tau 4}\rvert^{2}=0$ . Both conjugations of charged leptons are included

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10–385 MeV 질량 범위의 무거운 중성 렙톤에 대해 |Uμ4|²의 한계는 무엇인가?
• RQ2 마이크로부운 LArTPC는 νe⁺e⁻ 및 νπ⁰ 최종 상태로의 HNL 붕괴를 감지할 수 있는가?
• RQ3 KEK-E89, BNL-E949, NA62와 같은 이전 실험과 비교해 이 탐색의 감도는 어떻게 되는가?
• RQ4 이 탐색은 NuMI 비드에서 유도 가능한 HNL 질량 범위의 전체 커버리지에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 Majorana 및 Dirac HNL의 감도와 제약 강도 측면에서 결과는 어떻게 다를까?

주요 결과

• 34에서 175 MeV 사이의 HNL 질량에 대해, 현재까지 가장 엄격한 |Uμ4|² 한계를 설정하였으며, 100 MeV에서 90% 신뢰 수준 상한선이 약 10⁻⁸에 도달하였다.
• 이 연구는 νπ⁰ 최종 상태로의 HNL 붕괴에 대한 첫 번째 실험적 관측이며, 데이터에서 신호를 관측하지 못하였다.
• Majorana HNL의 경우, SIN, PIENU, KEK-E89, BNL-E949, NA62, PS191 실험들과 겹치는 질량 범위에서 이전의 제약보다 더 강력한 한계를 확보하였다.
• Dirac HNL의 경우, 같은 |Uμ4|²에서 붕괴 폭이 감소하기 때문에, Majorana 결과를 √2로 스케일링하여 한계를 도출하였다.
• 이 탐색 결과를 이전 마이크로부운 실험에서의 μπ 최종 상태 결과와 조합함으로써, NuMI 비드에서 유도 가능한 전체 HNL 질량 범위 10–385 MeV를 커버하게 되었다.
• νπ⁰ 붕괴의 150–245 MeV 범위에서의 감도는 기존의 뮤온 및 페존 붕괴 실험의 제약 조건과 경쟁 가능하였다.

Figure 2: BDT input variables after the preselection for Run 3 (RHC) data: (a) shower angle $\theta_{yz}$ with respect to the $y$ axis projected on the $yz$ plane, (b) track-fit $z$ momentum fraction, and (c) the total shower energy for data and the background prediction. The signal distributions fo