[论文解读] Search for heavy neutral leptons in electron-positron and neutral-pion final states with the MicroBooNE detector

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko+186 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 34被引用 3

一句话总结

本论文首次利用MicroBooNE液氩时间投影室（LArTPC）探测器，在电子-posit电子和中性π介子末态中搜索了重希格斯中性轻子（HNLs）。该研究对质量在34至175 MeV之间的HNL，设定了迄今为止最严格的|Uμ4|²混合矩阵元上限，覆盖了NuMI束流中K介子的全部动力学可达范围。

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

研究动机与目标

• 利用MicroBooNE实验的数据，搜索末态为νe⁺e⁻和νπ⁰的重希格斯中性轻子（HNLs）。
• 对质量范围为10–385 MeV的HNL，设定新的、严格的|Uμ4|²混合矩阵元约束。
• 通过LArTPC探测器，扩展对HNL衰变为强子态和电磁末态的探测灵敏度。
• 提供HNL衰变为νπ⁰末态的首个实验结果，该通道此前尚未被探索。
• 通过覆盖150–245 MeV的中间质量范围，补充现有来自π介子和μ子衰变的限制。

提出的方法

• 利用MicroBooNE探测器收集的1.1×10²⁰个质子-靶相互作用的NuMI束流数据。
• 采用液氩时间投影室（LArTPC）对带电粒子和中性粒子进行高精度重建。
• 通过顶点和事件拓扑结构重建，包括π⁰衰变中的光子重建，完成e⁺e⁻和π⁰末态的事件选择与重建。
• 应用运动学拟合和不变质量重建技术，识别νe⁺e⁻和νπ⁰末态中的HNL衰变。
• 通过背景估计和控制区域，以90%置信水平设定HNL信号产额的上限。
• 由于相同|Uμ4|²下Dirac HNL的衰变宽度仅为Majorana HNL的一半，因此将结果按√2进行缩放。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 在10–385 MeV质量范围内，重希格斯中性轻子的|Uμ4|²混合矩阵元上限是多少？
• RQ2 MicroBooNE的LArTPC能否探测到HNL衰变为νe⁺e⁻和νπ⁰末态？
• RQ3 与KEK-E89、BNL-E949和NA62等先前实验相比，本研究的灵敏度如何？
• RQ4 本研究对NuMI束流中K介子可及的HNL质量范围的完整覆盖有何贡献？
• RQ5 在灵敏度和约束强度方面，Majorana与Dirac HNL的结果有何不同？

主要发现

• 本研究对质量在34至175 MeV之间的HNL设定了迄今为止最严格的|Uμ4|²上限，在100 MeV处90%置信水平上限约为10⁻⁸。
• 这是首次实验观测到HNL衰变为νπ⁰末态，但数据中未发现信号。
• 在重叠质量范围内，Majorana HNL的限制强于SIN、PIENU、KEK-E89、BNL-E949、NA62和PS191实验的结果。
• 对于Dirac HNL，由于衰变宽度减小，其限制通过将Majorana结果按√2缩放获得。
• 本研究与先前MicroBooNE在μπ末态中的结果相结合，现已覆盖了NuMI束流中K介子可及的全部HNL质量范围10–385 MeV。
• 在150–245 MeV范围内，νπ⁰衰变的灵敏度与来自μ子和π介子衰变实验的现有约束水平相当。

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