[论文解读] Probing Heavy Majorana Neutrinos and the Weinberg Operator through Vector Boson Fusion Processes in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2393 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本研究首次在√s = 13 TeV下对重Majorana中微子及Weinberg算符开展LHC搜索，采用向量玻色子融合（VBF）过程，最终态为同号双muon。基于CMS探测器采集的138 fb⁻¹数据，该研究对重中微子质量高于650 GeV的|VμN|²设定了LHC迄今最严格的限制，并首次给出了来自Weinberg算符的有效µµ Majorana中微子质量的对撞机约束，观测到的95%置信水平上限为10.8 GeV。

ABSTRACT

The first search exploiting the vector boson fusion process to probe heavy Majorana neutrinos and the Weinberg operator at the LHC is presented. The search is performed in the same-sign dimuon final state using a proton-proton collision data set recorded at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected with the CMS detector and corresponding to a total integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The results are found to agree with the predictions of the standard model. For heavy Majorana neutrinos, constraints on the squared mixing element between the muon and the heavy neutrino are derived in the heavy neutrino mass range 50 GeV-25 TeV; for masses above 650 GeV these are the most stringent constraints from searches at the LHC to date. A first test of the Weinberg operator at colliders provides an observed upper limit at 95% confidence level on the effective $\mu\mu$ Majorana neutrino mass of 10.8 GeV.

研究动机与目标

• 在LHC的向量玻色子融合（VBF）过程中探测重Majorana中微子及Weinberg算符的存在。
• 在高能质子-质子碰撞中检验轻子数破坏（LNV），特别是同号双muon最终态中的LNV。
• 在50 GeV至25 TeV的质量范围内，对μ子与重Majorana中微子之间的混合矩阵元|VμN|²提供改进的约束。
• 首次基于对撞机实验给出来自Weinberg算符的有效µµ Majorana中微子质量的上限。
• 通过利用t通道VBF拓扑结构，与基于s通道产生的现有搜索形成互补，该拓扑结构的截面随重中微子质量增加而抑制得更缓慢。

提出的方法

• 利用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的质子-质子碰撞数据，积分亮度为138 fb⁻¹。
• 分析通过向量玻色子融合（VBF）过程产生的同号双muon最终态事件，其特征为两个前向喷注和一个中央双muon系统。
• 建模两种不同的VBF过程：(1) 重Majorana中微子的t通道产生，(2) 通过Weinberg算符实现的有效场论介导。
• 应用运动学重建与事件选择标准，以抑制标准模型背景，包括QCD多喷注和Drell-Yan过程。
• 采用基于似然的统计分析方法，设定信号强度的上限，进而转化为对|VμN|²和有效µµ Majorana质量的约束。
• 采用有效场论框架描述Weinberg算符，其中有效尺度Λ与Majorana质量的关系为mμμ = C₅v²/Λ。

实验结果

研究问题

• RQ1 重Majorana中微子是否可在LHC的VBF过程中产生，其与μ子的混合受到何种约束？
• RQ2 来自Weinberg算符的有效µµ Majorana中微子质量的首个对撞机上限是多少？
• RQ3 在高能质量下，VBF过程与s通道产生相比，在探测重Majorana中微子方面有何差异？
• RQ4 LHC中观测到的同号双muon事件是否显示出与标准模型预测不符的轻子数破坏迹象？
• RQ5 在TeV能标下，VBF拓扑结构对Weinberg算符的灵敏度如何，与低能实验相比有何差异？

主要发现

• 在全质量范围内，同号双muon最终态中未观测到与标准模型的显著偏离。
• 对于重Majorana中微子质量高于650 GeV的情况，本研究设定了迄今最严格的LHC对|VμN|²的限制。
• 观测到的有效µµ Majorana中微子质量的95%置信水平上限为10.8 GeV，标志着首次直接的对撞机约束。
• VBF拓扑结构为s通道搜索提供了互补探测手段，其截面随重中微子质量增加而抑制得更缓慢。
• 该分析证明了利用VBF过程探测LHC中Weinberg算符和轻子数破坏的可行性。
• 结果与所研究最终态和质量范围内不存在标准模型之外的新物理的假设一致。