⚛️ experimentos de altas energías

Search for long-lived heavy neutral leptons in signatures with one prompt muon and a secondary vertex formed by two non-prompt muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 and 13.6 TeV

Este artículo presenta una búsqueda de leptones neutros pesados de larga vida en colisiones protón-protón a 13 y 13,6 TeV utilizando una firma de un muón prompt y dos muones no prompt que forman un vértice secundario, estableciendo límites de exclusión al nivel de confianza del 95% para el parámetro de mezcla para masas de HNL entre 1 y 5 GeV sin observar ningún exceso sobre el fondo.

Autores originales: CMS Collaboration

Publicado 2026-11-02

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CC BY 4.0

Autores originales: CMS 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

Durante décadas, los físicos han sabido que al universo le falta algo. El Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas fundamentales y las fuerzas que componen todo lo que vemos, funciona con una precisión asombrosa. Sin embargo, deja un vacío evidente: no puede explicar por qué los neutrinos, esas partículas fantasmales que atraviesan la Tierra por billones cada segundo, tienen masa. El descubrimiento de que estas partículas pueden cambiar su identidad mientras viajan demostró que no carecen de peso, pero el modelo no ofrece ninguna razón para este peso. Para solucionar esto, los científicos han propuesto la existencia de un compañero oculto para el neutrino, una partícula pesada y neutra que rara vez interactúa con nada. Si estos "leptones neutros pesados" existen, podrían explicar no solo la masa de los neutrinos, sino también por qué el universo está hecho de materia en lugar de antimateria, e incluso qué es la materia oscura. El desafío es que estas partículas, si existen, son increíblemente esquivas, decayendo en otras partículas mucho tiempo después de haber sido creadas, a menudo lejos del punto donde nacieron.

En el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, un investigador que utiliza el detector CMS ha vuelto a observar estas partículas esquivas. Se centró en un escenario específico donde un leptón neutro pesado se crea junto con un muón estándar, un primo más pesado del electrón, durante colisiones de protones de alta energía. La teoría sugiere que la partícula pesada viajaría una distancia significativa antes de decaer en dos muones más. A diferencia del muón inmediato que aparece instantáneamente en el punto de colisión, estos dos nuevos muones surgirían de un "vértice secundario", un punto en el espacio notablemente desplazado del centro de la máquina. El investigador analizó una enorme cantidad de datos, equivalente a 138 unidades de datos de colisión registrados a una energía de 13 billones de electronvoltios entre 2016 y 2018, más 34,6 unidades adicionales registradas a una energía ligeramente superior de 13,6 billones de electronvoltios en 2022. Su estrategia consistió en ignorar los sistemas de seguimiento interno del detector, que están diseñados para captar partículas que aparecen de inmediato, y en su lugar, observar únicamente las cámaras de muones exteriores. Esto les permitió detectar muones que habían viajado varios metros antes de ser detectados, una firma de una partícula que vivió mucho más que las partículas fugaces del Modelo Estándar.

La búsqueda fue diseñada para capturar estas partículas de larga vida de una manera muy específica. El investigador buscó eventos que contuvieran exactamente tres muones: uno apareciendo justo en el punto de colisión y dos apareciendo más tarde, lejos del centro, formando un par distintivo. Filtraron miles de millones de eventos de fondo, como los causados por ruido aleatorio o desintegraciones de partículas comunes, requiriendo que los dos muones distantes no tuvieran conexión con las capas de seguimiento interno y formaran un punto de origen claro y reconstruido. También comprobaron que el tiempo y la energía de estas partículas coincidieran con lo que produciría un leptón neutro pesado. A pesar de cribar este enorme conjunto de datos con alta precisión, el investigador no encontró evidencia de estas partículas pesadas. El número de eventos observados coincidió perfectamente con las predicciones para los procesos de fondo conocidos, sin excesos inesperados que pudieran señalar un nuevo descubrimiento.

Debido a que no encontraron una señal, el investigador pudo establecer límites estrictos sobre dónde podrían existir estos leptones neutros pesados. Calcularon que si estas partículas tienen una masa entre 1 y 5 mil millones de electronvoltios, su interacción con los neutrinos ordinarios debe ser extremadamente débil, mucho más débil de lo que se creía posible en ciertos rangos. Específicamente, descartaron la existencia de estas partículas para un amplio rango de masas y fuerzas de mezcla, particularmente en la región donde las partículas vivirían lo suficiente como para viajar los metros necesarios para llegar a los detectores exteriores. Este resultado es significativo porque cierra la puerta a una ventana específica de posibilidades que experimentos previos no habían podido sondear. Al buscar partículas que decaen lejos del punto de colisión, este estudio extendió el alcance de la búsqueda hacia una región de tiempos de vida largos que habían sido difíciles de acceder. Los hallazgos no prueban que los leptones neutros pesados no existan en absoluto, pero confirman que, si existen, no se esconden en el rango específico de masa y tiempo de vida que este experimento estaba diseñado para encontrar. La búsqueda continúa, pero este capítulo de la historia se ha escrito con un resultado negativo claro que ayuda a guiar los siguientes pasos en la búsqueda para comprender la masa oculta del universo.

Resumen Técnico: Búsqueda de Leptones Neutros Pesados de Larga Vida en firmas con un Muón Prompt y un Vértice Secundario formado por dos Muones No-Prompt

Problema y Motivación
El descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos confirma que los neutrinos poseen masas no nulas, lo que sugiere física más allá del Modelo Estándar (SM). Los Leptones Neutros Pesados (HNL, por sus siglas en inglés), introducidos como contrapartes de la mano derecha masivas de los neutrinos del SM, ofrecen un marco teórico para explicar estas masas y potencialmente abordar enigmas cosmológicos como la materia oscura y la asimetría materia-antimateria. Estos HNL son singletes bajo el grupo de gauge del SM, pero pueden producirse en colisiones protón-protón (pp) mediante la mezcla con neutrinos del SM.

Este análisis se dirige a los HNL producidos en la desintegración de bosones W ( $W \to \ell N$ ), seguida de la desintegración del HNL en dos leptones cargados y un neutrino ( $N \to \ell' \ell'' \nu$ ). El enfoque específico es la región de "larga vida" del espacio de parámetros de los HNL, que corresponde a masas bajas ( $m_N \lesssim 5$ GeV) y parámetros de mezcla pequeños ( $|V_{N\mu}|^2 \sim 10^{-6}–10^{-5}$ ). En este régimen, los HNL recorren distancias macroscópicas antes de desintegrarse, a menudo fuera del rastreador de silicio interno. Las búsquedas tradicionales basadas en el rastreador tienen una aceptación limitada para longitudes de desintegración transversales ( $L_{xy}$ ) superiores a $\sim 1$ m. Este análisis tiene como objetivo extender la sensibilidad a longitudes de desintegración de aproximadamente 50–400 cm mediante la reconstrucción de muones utilizando únicamente el sistema de detección de muones externo de CMS.

Metodología

Conjuntos de Datos: El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el experimento CMS en el LHC. Esto incluye una luminosidad integrada de 138 fb $^{-1}$ registrada a $\sqrt{s} = 13$ TeV (2016–2018) y, por primera vez en una búsqueda de HNL en el LHC, 34.6 fb $^{-1}$ registrados a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV (2022).
Modelo de Señal: Los eventos de señal se simulan utilizando MADGRAPH5_aMC@NLO a orden líder, con el baño de partones mediante PYTHIA. La simulación asume un acoplamiento de HNL de Majorana exclusivamente al sabor del neutrino muónico ( $|V_{Ne}|=|V_{N\tau}|=0$ ). Se generan muestras para $m_N$ en el rango de 1–6 GeV. Para tener en cuenta la dependencia de la vida media del HNL con la masa y la fuerza de la mezcla, se aplica un reponderado por evento para coincidir con la distribución de la vida media propia para parámetros de mezcla específicos.
Reconstrucción y Selección de Eventos:
- Trigger: Los eventos se seleccionan mediante triggers de muón único que requieren un muón aislado con $p_T > 27$ (24) GeV.
- Muón Prompt ( $\mu_0$ ): Se requiere exactamente un muón prompt, que cumpla con criterios estrictos de identificación e aislamiento ( $I_{rel} < 0.15$ ) y que se origine en el vértice primario (PV).
- Muones Desplazados ( $\mu_1, \mu_2$ ): El núcleo del análisis se basa en muones "independientes desplazados" (DSA, por sus siglas en inglés). Estos se reconstruyen utilizando únicamente trazas en el sistema de muones (tubos de deriva, cámaras de tiras de cátodo, cámaras de placas resistivas) sin requerir la correspondencia con trazas en el rastreador de silicio interno. Esta técnica permite la reconstrucción de muones que se desintegran en las capas externas del rastreador o más allá.
- Vértice Secundario: Los dos muones DSA deben formar un vértice secundario convergente con un valor $p$ de ajuste $> 0.001$ . Crucialmente, estos muones no deben coincidir con ninguna traza en el sistema del rastreador, asegurando la ortogonalidad con búsquedas previas basadas en el rastreador y suprimiendo los fondos prompt.
- Cortes Cinemáticos: Los criterios de selección explotan la topología de la señal, incluyendo el gran impulso (boost) del HNL. Los requisitos incluyen:
  - Momento transversal del par de muones $p_T^{pair} > 10$ GeV.
  - Separación angular $\Delta R(\mu_1, \mu_2) < 1.0$ y $\cos \theta(\mu_1, \mu_2) > 0.9$ .
  - Masa invariante de los tres muones $40 < m(\mu_0, \mu_1, \mu_2) < 90$ GeV.
  - Separación azimutal $\Delta \phi(\mu_0, \mu_{1/2}) > 1.5$ .
  - Veto sobre jets con etiqueta b y candidatos al bosón Z ( $m(\mu_0, \mu') < 80$ GeV).
Regiones de Señal (SR): La SR se divide en cuatro contenedores basados en dos variables discriminantes: el momento transversal del par de muones ( $p_T^{pair}$ ) y la significancia del desplazamiento del vértice secundario ( $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}}$ ). El umbral de compartimentación óptimo es $p_T^{pair} > 22$ GeV y $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}} > 4$ .
Estimación de Fondo: Los fondos dominantes provienen de pares de muones mal reconstruidos o ligeramente desplazados (por ejemplo, desintegraciones de $J/\psi$ por pileup o desintegraciones semileptónicas de b-hadrones). Dado que la simulación de Monte Carlo no puede modelar de forma fiable las ineficiencias instrumentales que causan tal mala reconstrucción, se emplea un método de "ABCD" basado en datos. Dos condiciones estadísticamente independientes definen cuatro regiones: un veto del rastreador sobre $\mu_1$ y una reducción de la selección de señal. El rendimiento del fondo en la SR (Región A) se estima como $n_A = n_B \times (n_C / n_D)$ , donde $n_B, n_C, n_D$ son los rendimientos en las regiones de control. Las regiones de validación (VR) confirman la robustez del método; se observó una no-convergencia en los lados de banda de bajo $p_T$ atribuida a conversiones de fotones, una contribución considerada insignificante en la SR de alto $p_T$ .

Contribuciones Clave

Sensibilidad Extendida a la Longitud de Desintegración: Al utilizar muones DSA reconstruidos exclusivamente a partir del sistema de muones, este análisis extiende significativamente el alcance de búsqueda para HNL con longitudes de desintegración transversales de hasta $\sim 400$ cm, un régimen inaccesible para los análisis estándar basados en el rastreador.
Primer Uso de Datos de 13.6 TeV: Esta es la primera búsqueda de HNL en el LHC que incorpora datos de la ejecución de 2022 a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV.
Ortogonalidad a Búsquedas Previas: El requisito de que los muones desplazados no tengan información asociada del rastreador hace que esta búsqueda sea complementaria a la búsqueda de CMS reportada en la Ref. [40], la cual dependía de trazas desplazadas dentro del rastreador de silicio.
Control Integral de Fondos: La aplicación del método ABCD con una validación rigurosa en las regiones de bajo $p_T$ y de veto de rastreador invertido proporciona una estimación robusta del fondo residual del SM.

Resultos
No se observó un exceso significativo de eventos sobre el fondo predicho en ninguno de los cuatro contenedores de señal para ninguno de los conjuntos de datos de 13 TeV o 13.6 TeV. Los rendimientos observados son consistentes con la hipótesis de solo fondo dentro de las incertidumbres estadísticas y sistemáticas.

Bajo la suposición de la hipótesis de HNL de Majorana, se establecieron límites de exclusión al 95% de nivel de confianza (CL) sobre el parámetro de mezcla $|V_{N\mu}|^2$ como función de la masa del HNL $m_N$ en el rango de 1–5 GeV.

El análisis excluye parámetros de mezcla en el rango de $10^{-6}$ a $10^{-5}$ para masas entre 2 y 4 GeV.
La sensibilidad disminuye para $m_N \gtrsim 4.5$ GeV debido a la rápida disminución de la vida media del HNL (que escala como $m_N^{-5}$ ), lo que provoca que los HNL más pesados se desintegren antes de alcanzar el volumen de desintegración sensible.
Al compararse con análisis previos de CMS dirigidos a rangos de masa similares (incluyendo búsquedas de prompt, de rastreador desplazado y de desintegración de mesones B), este análisis mejora la sensibilidad esperada para masas entre 2.5 y 4.2 GeV, sondeando específicamente la región de larga vida y baja mezcla.

Significancia
El artículo afirma que este análisis supera los resultados experimentales previos en sensibilidad para HNL con masas entre 2.5 y 4.2 GeV. Al centrarse en vértices altamente desplazados reconstruidos exclusivamente en el sistema de muones, la búsqueda sondea una región específica del espacio de parámetros de los HNL (masa baja, mezcla pequeña, larga vida) que anteriormente estaba menos restringida. El resultado nulo restringe aún más las restricciones sobre la existencia de HNL de Majorana en este rango de masa, descartando escenarios de mezcla específicos que podrían haber explicado la generación de la masa de los neutrinos o candidatos a materia oscura dentro de esta ventana cinemática. La integración exitosa de los datos de 13.6 TeV demuestra la capacidad del experimento CMS para utilizar conjuntos de datos de mayor energía para búsquedas de procesos raros.

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