Search for Neutrino-Produced Long-Lived Particles Using the SBND Cosmic Ray Tagger Beam Telescope

Resumen Técnico: Búsqueda de Partículas de Larga Vida Producidas por Neutrinos utilizando el Telescopio de Haz del Marcador de Rayos Cósmicos de SBND

Problema y Motivación
El Short-Baseline Near Detector (SBND) en Fermilab está diseñado primordialmente para buscar oscilaciones de neutrinos estériles. Sin embargo, su proximidad al Booster Neutrino Beam (BNB) y el intenso flujo de neutrinos también lo convierten en un entorno adecuado para la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar (BSM), específicamente Partículas de Larga Vida (LLP). Mientras que las búsquedas convencionales en experimentos de neutrinos de aceleradores se centran en LLPs producidas mediante decaimientos de mesones, los intensos haces de neutrinos ofrecen un mecanismo de producción complementario: el upscattering (dispersión hacia arriba) neutrino-núcleo en el material circundante. Este artículo presenta la primera búsqueda de física BSM utilizando datos del experimento SBND, apuntando específicamente a LLPs producidas vía upscattering de neutrinos que decaen en estados finales visibles (pares electrón-positrón) a distancias macroscópicas.

Metodología
El análisis utiliza datos recolectados por una configuración independiente del sistema de Cosmic Ray Tagger (CRT) de SBND, referido como el "CRT Beam Telescope". Este sistema operó entre 2017 y 2018, antes de la instalación de la cámara de proyección temporal de argón líquido (LArTPC) principal de SBND. El conjunto de datos corresponde a $2.95 \times 10^{20}$ protones sobre blanco (POT) del BNB.

• Configuración del Detector: El CRT Beam Telescope consiste en dos paneles de módulos de centellador plástico separados por 9.26 metros a lo largo de la dirección del haz. El panel aguas arriba (18 módulos) y el panel aguas abajo (6 módulos) proporcionan una resolución temporal de $\sim 1.5$ ns y capacidades de reconstrucción espacial.
• Modelo de Señal: La búsqueda apunta a un escenario de "neutrino oscuro" donde un neutrino del Modelo Estándar realiza un upscattering contra un núcleo en el material aguas arriba del detector para producir un fermión neutro pesado ($N$). Esta LLP se propaga una distancia macroscópica antes de decaer en un par electrón-positrón y un neutrino ($N \to e^+e^-\nu$). El análisis parametriza la búsqueda mediante la sección eficaz de producción efectiva $\sigma(\nu A \to NX) \times \text{Br}(N \to e^+e^- + E_{\text{miss}})$ y la longitud de decaimiento de la LLP ($c\tau$), en lugar de un único modelo específico.
• Selección de Eventos: La topología de la señal requiere que no haya actividad en el panel aguas arriba (Veto de Aguas Arriba) para rechazar fondos inducidos por neutrinos, seguido de la detección de dos impactos en el panel aguas abajo (Requisito de Dos Impactos) con una separación mínima de 22 cm. Esta selección tiene como objetivo el decaimiento de la LLP ocurriendo en el volumen entre los dos paneles.
• Caracterización del Fondo: Los fondos dominantes son las interacciones de neutrinos en el suelo/material de construcción circundante y la actividad cosmogénica.
  • Fondo inducido por neutrinos: Modelado utilizando simulaciones de GENIE y GEANT4, escaladas al conjunto de datos.
  • Fondo cosmogénico: Estimado directamente de los datos utilizando una ventana de tiempo pre-spill (1.6 $\mu$s antes del spill del haz), la cual está libre de interacciones inducidas por el haz.
• Discriminación: Se entrena un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) basado en cuatro variables: la distancia 3D entre los impactos, la separación horizontal, la diferencia de tiempo y la energía depositada media. El BDT distingue eventos similares a la señal de los eventos de fondo restantes.

Contribuciones Clave

• Primera Búsqueda BSM de SBND: Este trabajo constituye la primera búsqueda de Física Más Allá del Modelo Estandár realizada utilizando datos de SBND.
• Utilización de Detector Independiente: Demuestra la viabilidad de usar un subsistema del detector (el CRT) como un instrumento independiente para búsquedas de LLP, aprovechando su resolución temporal y espacial a pesar de su diseño original para el etiquetado de rayos cósmicos.
• Canal de Producción Novedoso: El análisis apunta específicamente a LLPs producidas vía upscattering de neutrinos en material externo, un canal distinto de los mecanismos de producción por decaimiento de mesones explorados en otros experimentos.
• Estimación de Fondo Basada en Datos: El fondo cosmogénico se determina enteramente a partir de los datos, evitando la dependencia de simulaciones externas para este componente.

Resultados
El análisis observó 831 eventos en los datos comparado con un fondo esperado de $763.2 \pm 25\%$ (incluyendo incertidumbres sistemáticas). No se observó un exceso estadísticamente significativo; las pruebas de bondad de ajuste arrojaron p-valores de 0.65, 0.86 y 0.71 para longitudes de decaimiento de 1 m, 3.1 m y 10 m, respectivamente.

Consecuentemente, la colaboración estableció límites superiores al 90% de nivel de confianza (CL) para la sección eficaz de producción efectiva para LLPs que decaen en pares $e^+e^-$.

• Límites de Exclusión: Los límites alcanzan secciones eficaces efectivas de aproximadamente $10^{-38} \text{ cm}^2$ (específicamente hasta $\sim 5 \times 10^{-39} \text{ cm}^2$ en sus puntos más fuertes) para longitudes de decaimiento de laboratorio que van desde 0.3 m hasta 100 m.
• Sensibilidad: La sensibilidad se maximiza para longitudes de decaimiento de escala de metros ($c\tau \sim 1\text{--}10$ m), limitada por la aceptación geométrica de un volumen de decaimiento de 9.26 m.
• Interpretación del Modelo: Los resultados se interpretan en el contexto de escenarios de neutrinos oscuros. Si bien el escenario mínimo 3+1 se encuentra por debajo de la sensibilidad de esta búsqueda para los parámetros de referencia, un escenario 3+2 representativo con un desdoblamiento de masa específico se extiende hacia la región sondeada por este análisis.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que estos resultados complementan las búsquedas existentes al sondear firmas de decaimiento desplazado en longitudes de decaimiento de escala de metros, una región no explorada previamente por otros experimentos para LLPs producidas por neutrinos. Los autores enfatizan que, aunque los límites de exclusión son más débiles que aquellos de búsquedas específicas de modelos con capacidades completas de detector (como MicroBooNE), este análisis proporciona un enfoque complementario único. Demuestra que se puede lograr una sensibilidad significativa a la física BSM utilizando subsistemas de detectores que no fueron diseñados originalmente para tales búsquedas, siempre que posean suficiente resolución temporal y espacial. Este trabajo establece las bases para estudios futuros utilizando el detector completo de SBND, lo que podría extender estas exclusiones a un rango más amplio de longitudes de decaimiento y topologías.