⚛️ high-energy experiments

Search for heavy neutral leptons in decays of W bosons produced in 13 TeV pp collisions using prompt signatures in the ATLAS detector

Utilizando 140 fb $^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV del detector ATLAS, este estudio busca leptones neutros pesados en decaimientos del bosón W mediante firmas de dileptones de misma carga o trileptones instantáneos, sin encontrar un exceso significativo sobre los fondos del Modelo Estándar y estableciendo, por lo tanto, límites superiores estrictos en su mezcla con neutrinos electrónicos y muónicos a través de un rango de masa de 8–65 GeV.

Autores originales: ATLAS Collaboration

Publicado 2026-07-24

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CC BY 4.0

Autores originales: ATLAS Collaboration

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el universo como una fiesta gigante y bulliciosa donde cada partícula tiene un papel que desempeñar. Durante décadas, los físicos han intentado comprender por qué los "neutrinos" —esos invitados fantasmales e invisibles que atraviesan todo sin detenerse— tienen masa en absoluto. Es un poco como descubrir que un fantasma tiene peso; no debería ser posible según el viejo libro de reglas. Para resolver este misterio, los científicos propusieron un nuevo personaje: el Leptón Neutro Pesado (HNL, por sus siglas en inglés). Piensa en este HNL como un "hermano mayor" del neutrino, un pariente pesado y tímido que podría explicar por qué los diminutos neutrinos tienen masa, por qué el universo está hecho de materia en lugar de solo antimateria, e incluso de qué está hecha la materia oscura. La gran pregunta es: ¿existen realmente estos primos pesados o son solo una idea ingeniosa sobre el papel?

Este artículo es la historia de una enorme partida de búsqueda enviada para encontrar a estos elusivos HNL. Utilizando el detector ATLAS —una cámara digital gigantesca y multicapa del tamaño de una catedral construida dentro del Gran Colisionador de Hadrones (LHC)—, los científicos chocaron protones a velocidades increíbles. Buscaban una "pistola humeante" muy específica: un neutrino pesado que aparece de la nada, vive por un segundo y luego se desintegra en tres partículas cargadas (como electrones o muones) que aparecen todas al mismo tiempo. Debido a que estos neutrinos pesados son sus propias antipartículas (un extraño truco cuántico), pueden producir pares de partículas con la misma carga eléctrica, una firma que es casi imposible de falsificar para el "ruido de fondo" estándar del universo.

El equipo analizó una montaña de datos equivalente a 140 femtobarns inversos de colisiones (una forma elegante de decir que observaron 140 trillones de trillones de colisiones de protones). Establecieron una serie de trampas digitales, o "regiones de señal", diseñadas para capturar estos eventos de tres partículas mientras filtraban los miles de millones de eventos aburridos y estándar. Buscaron que los neutrinos pesados aparecieran en un rango de masa entre 8 y 65 GeV (una unidad de energía que nos indica qué tan pesado es el partícula).

¿El resultado? Las trampas estaban mayormente vacías, aunque hubo un pequeño e intrigante destello. Los científicos no encontraron leptones neutros pesados escondidos en los datos, pero sí observaron una pequeña fluctuación: el número de eventos que vieron fue ligeramente superior al esperado, mostrando un exceso de 1.7 sigma. Si bien esto es un indicio de algo interesante, no es lo suficientemente fuerte como para reclamar un descubrimiento; es consistente con el ruido estadístico aleatorio más que con una nueva partícula. El artículo descarta explícitamente la existencia de estos neutrinos pesados si se mezclan con neutrinos electrónicos o muónicos con una fuerza mayor a ciertos números diminutos. Específicamente, para neutrinos pesados que pesan entre 15 y 30 GeV, la fuerza de mezcla debe ser menor a 1.1 × 10⁻⁵ para electrones y 5 × 10⁻⁶ para muones. En el rango completo de 8 a 65 GeV, la mezcla debe ser incluso más débil, por debajo de 8 × 10⁻⁵ y 5.0 × 10⁻⁵ respectivamente.

Así que, aunque los neutrinos pesados siguen siendo una posibilidad teórica, esta búsqueda ha desplazado el cartel de "¿Dónde estás?" mucho más lejos. Si existen, o bien son mucho más pesados de lo que esta búsqueda pudo captar, o son tan tímidos y débilmente conectados con el resto del universo que son aún más difíciles de encontrar de lo que pensábamos. La búsqueda continúa, pero el mapa del universo acaba de volverse un poco más preciso.

Resumen Técnico: Búsqueda de Leptones Neutros Pesados en decaimientos de bosones $W$ mediante firmas prompt en el detector ATLAS

Problema y Motivación
El descubrimiento de las oscilaciones de sabor de los neutrinos confirma que los neutrinos poseen masa, un fenómeno que no es explicado por el Modelo Estándar (SM). Esta observación sugiere la existencia de neutrinos de Majorana pesados de mano derecha, a menudo denominados Leptones Neutros Pesados (HNL, por sus siglas en inglés), que podrían surgir del mecanismo de Seesaw de Tipo 1. Los HNL están motivados teóricamente como explicaciones para la pequeñez de las masas de los neutrinos, la asimetría bariónica del universo mediante leptogénesis y como candidatos a materia oscura. Mientras que búsquedas previas han restringido los HNL en varios rangos de masa, incluyendo firmas de partículas de larga vida, este trabajo aborda la búsqueda de decaimientos prompt de HNL producidos en decaimientos de bosones $W$ utilizando el conjunto completo de datos de la Run 2 del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Metodología
El análisis utiliza $140 \text{ fb}^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13 \text{ TeV}$ recolectados por el detector ATLAS. La búsqueda se dirige a la producción de un único HNL ( $N$ ) mediante la mezcla con neutrinos del SM en el decaimiento de un bosón $W$ en el eje (on-shell) ( $W \to \ell^\pm N$ ), seguido del decaimiento prompt del HNL en un leptón cargado y un neutrino ( $N \to \ell^\mp \nu$ ). Debido a la naturaleza de Majorana del HNL, este proceso da como resultado un estado final con tres leptones cargados y un neutrino, donde dos leptones comparten el mismo sabor y carga eléctrica (Mismo Sabor y Misma Carga, SFSC), y el tercer leptón tiene un sabor diferente y carga opuesta.

Selección de Eventos: El análisis define regiones de señal (SRs) que requieren ya sea tres leptones prompt de señal o dos leptones de señal más un leptón de base (baseline). Para suprimir los fondos dominantes del SM (tales como la producción de $WZ$, $ZZ $y$ VVV$), se vetan los eventos con tres leptones del mismo sabor y se aplican requisitos cinemáticos a variables que incluyen la masa transversa ( $m_T$ ), la masa efectiva ( $m_{\text{eff}}$ ) y la masa invariante del par de leptones SFSC ( $m_{\ell\ell}^{\text{SC}}$ ). Se aplica un veto de jets $b$ para reducir los fondos de quarks top.
Estimación de Fondos: Los fondos se categorizan en tres grupos:
1. Procesos SM prompt: Estimados mediante simulaciones de Monte Carlo (MC) normalizadas a secciones eficaces teóricas (dominados por $WZ$).
2. Cambio de carga de electrones (charge-flip electrons): Estimados mediante métodos basados en datos para la probabilidad de identificación errónea de la carga del electrón, aunque se encontró que son despreciables en las regiones de señal.
3. Leptones falsos y no-prompt: Estimados mediante el método de matriz basado en datos, el cual aprovecha las diferencias de eficiencia entre los criterios de identificación de leptones laxos (loose) y estrictos (tight). Esta categoría es la fuente dominante de fondo.
Incertidumbres Sistemáticas: Las incertidumbres incluyen la luminosidad integrada (0.83%), las eficiencias de identificación y reconstrucción de leptones, la escala y resolución de la energía de los jets, y las incertidumbres de modelado tanto para los procesos de señal como de fondo. Las incertidumbres dominantes provienen de los errores estadísticos y sistemáticos en la estimación del fondo de leptones falsos/no-prompt.

Contribuciones Clave

Rango de Masa Extendido: Este análisis cubre un rango de masa de leptón neutro pesado de $8 $–$ 65 \text{ GeV}$, extendiéndose más allá de las búsquedas previas de decaimiento prompt de ATLAS realizadas con conjuntos de datos parciales de la Run 2.
Regiones de Señal Exhaustivas: El estudio define y optimiza múltiples regiones de señal tanto para los estados finales $e^\pm e^\pm \mu^\mp$ como $\mu^\pm \mu^\pm e^\mp$ , así como regiones de señal de dos leptones para recuperar eventos donde el tercer leptón no cumple con los criterios estrictos de señal pero sí pasa los requisitos de base.
Validación Robusta de Fondos: Los métodos de estimación de fondo se validan en regiones de control y regiones de validación (VRs) definidas con cortes cinemáticos relajados, mostrando un buen acuerdo entre los datos observados y los fondos predichos del SM dentro de $2\sigma$ .

Resultados
No se observó un exceso significativo de eventos sobre el fondo esperado del Modelo Estándar. Los rendimientos de eventos observados en todas las regiones de señal son consistentes con las predicciones de fondo, siendo la mayor desviación local de $1.7$ desviaciones estándar en la región de señal SRE3.

Consecuentemente, el análisis establece límites de exclusión dependientes del modelo sobre los parámetros de mezcla $|U_e|^2$ y $|U_\mu|^2$ como función de la masa del HNL ( $m_{\text{HNL}}$ ):

Rango de Masa Completo ($8 $–$ 65 \text{ GeV}$): El análisis excluye valores de $|U_e|^2$ por encima de $8 \times 10^{-5}$ y valores de $|U_\mu|^2$ por encima de $5.0 \times 10^{-5}$ .
Restricciones más Fuertes: Los límites más estrictos se logran en el rango de masa de $15 $–$ 30 \text{ GeV}$, excluyendo $|U_e|^2 < 1.1 \times 10^{-5}$ y $|U_\mu|^2 < 5 \times 10^{-6}$ .
Rangos más Amplios: Se establecen límites superiores de $1.8 \times 10^{-5}$ y $7.0 \times 10^{-6}$ para $|U_e|^2$ y $|U_\mu|^2$ respectivamente sobre intervalos de masa más amplios ($15 $–$ 50 \text{ GeV} $y$ 15 $–$ 40 \text{ GeV}$).

Significancia
El artículo afirma que estos resultados superan las búsquedas previas de ATLAS basadas en datos parciales de la Run 2 y complementan las búsquedas existentes de HNL de larga vida y otros mecanismos de producción de HNL (como la fusión de bosones vectoriales). Al centrarse en firmas prompt en el rango de masa de $8 $–$ 65 \text{ GeV}$, este trabajo proporciona las restricciones más estrictas hasta la fecha sobre la mezcla de leptones neutros pesados con neutrinos electrónicos y muónicos en este régimen cinemático específico, sondeando efectivamente el espacio de parámetros donde los HNL podrían explicar los orígenes de la masa de los neutrinos y la asimetría materia-antimateria.

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