[论文解读] 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)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文基于ATLAS探测器在13 TeV质子-质子对撞数据中（139 fb⁻¹）搜索了重的中性轻子（HNLs），目标为W玻色子衰变产生的HNLs，其衰变为位移的二轻子顶点。未观测到显著信号，针对正常与反常中微子质量层次下单重味与多重味混合情形，设定了3 GeV < m_N < 15 GeV范围内HNL混合参数的新排除限界。

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.

研究动机与目标

• 搜索通过W → Nℓ产生并衰变为位移二轻子顶点的长寿命重中性轻子（HNLs）。
• 为单味与多味混合情形设定HNL混合参数|Uα|²的新排除限界。
• 探究HNL模型在解释中微子振荡与轻子生成机制中的可行性，涵盖正常与反常中微子质量层次。
• 通过分析六个末态（如μ−μμ、e−ee、μ−μe）并区分轻子数守恒与轻子数不守恒衰变模式，提升灵敏度。

提出的方法

• 使用Pythia 8.212（A14调谐）与NNPDF2.3lo部分子分布函数（PDFs）生成模拟信号样本，包含额外质子-质子相互作用引起的堆叠效应。
• 利用MadGraph5_aMC@NLO 2.9.3结合HeavyN模型，基于事件加权方法校正W玻色子衰变产物之间的自旋关联。
• 分析聚焦于包含一个快发轻子（ℓα）与一个由两个异号电荷轻子（ℓβℓγ）重建的位移顶点的末态，后者通过内层探测器追踪重建。
• 对HNL质量在3 GeV至20 GeV之间、固有衰变长度为1、10与100 mm的情形评估了信号灵敏度。
• 通过动量与拓扑判据（包括顶点位移与轻子味识别）抑制背景。
• 在狄拉克极限（仅LNC）与马约拉纳极限（LNC与LNV分支比相等）下提取限界，其中在μ−μe与e−eμ通道中实现味特异性分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单味混合情形下，对3 GeV至15 GeV之间HNL质量的|Uα|²混合参数，其排除限界为何？
• RQ2 在多味HNL模型中，正常与反常中微子质量层次下的限界有何差异？
• RQ3 ATLAS实验能否在LNC与LNV衰变模式下，对衰变为位移二轻子顶点的HNL设定具有竞争力的限制？
• RQ4 与单通道分析相比，包含多个末态（如μ−μμ、e−ee、μ−μe）如何提升灵敏度？
• RQ5 在μ−μe与e−eμ通道中，味依赖的轻子识别对区分LNC与LNV衰变模式有何影响？

主要发现

• 在139 fb⁻¹的13 TeV质子-质子对撞数据中未观测到显著信号，导致HNL混合参数的上限限界。
• 在单味混合情形下，对3 GeV < m_N < 15 GeV范围内的|Uμ|²设定了排除限界，灵敏度优于以往ATLAS搜索结果。
• 首次在多味HNL模型中对|Ue|²与|Uτ|²设定了限界，覆盖正常与反常中微子质量层次。
• 分析在狄拉克极限（仅LNC）与马约拉纳极限（LNC与LNV分支比相等）下均设定了限界，后者约束更紧。
• 通过引入多个末态（如μ−μe、e−eμ）显著提升了对多味混合的灵敏度，尤其在马约拉纳极限下。
• 结果超越并改进了文献[22]中的先前限界，尤其在μ−μe与e−eμ通道中，因味分离增强了灵敏度。