[论文解读] Heavy neutral leptons below the kaon mass at hodoscopic detectors

C. Argüelles, N. Foppiani+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文利用闪烁体中微子探测器中的飞行衰变（DIF）搜索，重新评估了低于奇异夸克质量的重中性轻子（HNLs）的约束，重点关注T2K和MicroBooNE实验。结果表明，这些实验现已成为针对HNL与μ中微子混合的最强实验室约束，排除了通过电磁衰变（例如通过跃迁磁矩或轻子偏好轴子样粒子通道）解释MiniBooNE异常的模型。

ABSTRACT

Heavy neutral leptons ($N$) below the kaon mass are severely constrained by cosmology and lab-based searches for their decays in flight. If $N$ interacts via an additional force, $N oνe^+e^-$ decays are enhanced and cosmological limits can be avoided. We show that the T2K and MicroBooNE neutrino experiments provide the best limits on the mixing of $N$ with muon-neutrinos, outperforming past-generation experiments, previously thought to dominate. We constrain models with electromagnetically-decaying and long-lived $N$, such as in a transition-magnetic-moment portal and in a leptophilic axion-like particle portal, invoked to explain the MiniBooNE excess. By considering these models as representative examples, our results show that explanations of the MiniBooNE excess that involve $e^+e^-$ pairs from long-lived particles are in tension with T2K, PS191, and MicroBooNE data. Similarly, these searches also constrain MiniBooNE explanations based on single photons due to the associated $e^+e^-$ decay mode via a virtual photon.

研究动机与目标

• 利用飞行衰变（DIF）信号重新评估低于奇异夸克质量的重中性轻子（HNLs）的实验室约束。
• 评估闪烁体探测器——特别是T2K、MicroBooNE和PS191——对通过额外相互作用衰变为e+e−的HNLs的探测灵敏度。
• 检验通过长寿命HNLs衰变为e+e−来解释MiniBooNE异常的模型，在当前实验约束下是否仍可行。
• 重新解释T2K和MicroBooNE的现有数据，以获得在增强衰变宽度模型下HNL与μ中微子混合参数的改进约束。

提出的方法

• 利用闪烁体探测器中的飞行衰变（DIF）信号识别HNL衰变为e+e−，借助精确的轨迹重建和粒子识别能力。
• 采用最小 seesaw 模型并引入一个与μ中微子主要混合的狄拉克型HNL，聚焦于通过中性流相互作用发生的N → νμe+e−衰变过程。
• 重新解释T2K和MicroBooNE在低于π介子质量范围内的数据，将先前未充分约束的区域拓展至新范围。
• 考虑三种扩展模型：跃迁磁矩（TMM）、四费米子轻子相互作用以及轻子偏好轴子样粒子（ℓALP）门户，以模拟增强的衰变宽度。
• 使用GitHub上公开的代码进行HNL衰变和探测器响应的蒙特卡洛模拟。
• 重新审视并重新校准PS191的限制，表明其先前的估计过高，原因是背景建模错误。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于低于奇异夸克质量的HNLs，T2K和MicroBooNE是否能提供比以往实验更强的与μ中微子混合的约束？
• RQ2 通过额外相互作用（如TMM或ℓALP门户）衰变为e+e−的HNLs，在逃避宇宙学约束的同时，是否仍能在束流打靶实验中被探测到？
• RQ3 基于长寿命HNLs衰变为e+e−来解释MiniBooNE异常的模型，是否与当前T2K、MicroBooNE和PS191的DIF数据相容？
• RQ4 来自新相互作用的增强衰变宽度如何影响HNLs在闪烁体中微子探测器中的可探测性？其对混合参数的约束结果如何？

主要发现

• 对于低于π介子质量的HNLs，T2K提供了目前最强的与μ中微子混合的实验室约束，优于以往实验。
• MicroBooNE数据进一步限制了质量在100–400 MeV范围内的HNLs，尤其针对具有增强e+e−衰变模式的模型。
• PS191的限制先前被高估；重新校准后表明，在相关质量范围内其约束弱于T2K和MicroBooNE。
• 通过TMM或ℓALP门户实现HNL衰变为e+e−以解释MiniBooNE异常的模型，已被T2K、PS191和MicroBooNE的数据排除。
• 即使通过虚光子实现单光子衰变的模型也受到约束，因为其伴随的e+e−衰变模式限制了MiniBooNE异常的可行解释。
• 本研究提供了用于模拟HNL衰变和推导DIF限制的公开代码库，可支持未来对中微子探测器数据的重新解释。