⚛️ 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

En utilisant 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV provenant du détecteur ATLAS, cette étude recherche des leptons neutres lourds dans les désintégrations du boson W via des signatures de dileptons de même charge ou de trilepton prompt, ne trouvant aucun excès significatif par rapport aux fonds du Modèle Standard et fixant ainsi des limites supérieures strictes sur leur mélange avec les neutrinos électroniques et muoniques sur une plage de masse de 8 à 65 GeV.

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Publié 2026-07-24

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez l'univers comme une fête géante et animée où chaque particule a un rôle à jouer. Pendant des décennies, les physiciens ont tenté de comprendre pourquoi les « neutrinos » — ces invités fantomatiques et invisibles qui traversent tout sans s'arrêter — possèdent une masse. C'est un peu comme découvrir qu'un fantôme a du poids ; cela ne devrait pas être possible selon l'ancien livre de règles. Pour résoudre ce mystère, les scientifiques ont proposé un nouveau personnage : le Lepton Neutre Lourd (HNL). Considérez cet HNL comme un « grand frère » du neutrino, un parent lourd et timide qui pourrait expliquer pourquoi les minuscules neutrinos ont une masse, pourquoi l'univers est composé de matière plutôt que de simple antimatière, et même de quoi la matière noire est faite. La grande question est la suivante : ces cousins lourds existent-ils réellement, ou ne sont-ils qu'une idée ingénieuse sur le papier ?

Ce document est l'histoire d'une immense équipe de recherche envoyée pour trouver ces HNL insaisissables. En utilisant le détecteur ATLAS — un appareil photo numérique gigantesque et multicouche de la taille d'une cathédrale, construit à l'intérieur du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) — les scientifiques ont fracassé des protons les uns contre les autres à des vitesses incroyables. Ils cherchaient une « preuve irréfutable » très spécifique : un neutrino lourd qui surgit dans l'existence, vit une fraction de seconde, puis se désintègre en trois particules chargées (comme des électrons ou des muons) qui apparaissent toutes en même temps. Parce que ces neutrinos lourds sont leurs propres antiparticules (un étrange tour de passe-passe quantique), ils peuvent produire des paires de particules ayant la même charge électrique, une signature qu'il est presque impossible pour le « bruit de fond » standard de l'univers de simuler.

L'équipe a analysé une montagne de données équivalente à 140 femtobarns inverses de collisions (une façon élégante de dire qu'ils ont observé 140 trillions de trillions de collisions de protons). Ils ont mis en place une série de pièges numériques, ou « régions de signal », conçus pour capturer ces événements à trois particules tout en filtrant les milliards d'événements standards et ennuyeux. Ils ont cherché à voir apparaître les neutrinos lourds dans une plage de masse comprise entre 8 et 65 GeV (une unité d'énergie qui indique à quel point la particule est lourde).

Le résultat ? Les pièges étaient pour la plupart vides, bien qu'il y ait eu un petit indice intrigant. Les scientifiques n'ont trouvé aucun lepton neutre lourd caché dans les données, mais ils ont observé une petite fluctuation : le nombre d'événements observés était légèrement plus élevé que prévu, montant à un excès de 1,7 sigma. Bien qu'il s'agisse d'un indice intéressant, ce n'est pas assez fort pour revendiquer une découverte ; c'est cohérent avec un bruit statistique aléatoire plutôt qu'avec une nouvelle particule. Le document exclut explicitement l'existence de ces neutrinos lourds s'ils se mélangent avec des neutrinos électroniques ou muoniques avec une intensité supérieure à certains nombres minuscules. Plus précisément, pour des neutrinos lourds pesant entre 15 et 30 GeV, l'intensité de mélange doit être inférieure à 1,1 × 10⁻⁵ pour les électrons et 5 × 10⁻⁶ pour les muons. Dans toute la plage de 8 à 65 GeV, le mélange doit être encore plus faible, en dessous de 8 × 10⁻⁵ et 5,0 × 10⁻⁵ respectivement.

Ainsi, bien que les neutrinos lourds restent une possibilité théorique, cette recherche a repoussé le panneau « Où êtes-vous ? » beaucoup plus loin. S'ils existent, ils sont soit beaucoup plus lourds que ce que cette recherche pouvait capturer, soit si timides et faiblement connectés au reste de l'univers qu'ils sont encore plus difficiles à trouver que nous ne le pensions. La recherche continue, mais la carte de l'univers vient de devenir un peu plus précise.

Résumé technique : Recherche de leptons neutres lourds dans les désintégrations de bosons $W$ via des signatures promptes dans le détecteur ATLAS

Problème et motivation
La découverte des oscillations de saveurs de neutrinos confirme que les neutrinos possèdent une masse, un phénomène qui n'est pas expliqué par le Modèle Standard (MS). Cette observation suggère l'existence de neutrinos de Majorana à droite, souvent appelés leptons neutres lourds (HNL pour Heavy Neutral Leptons), qui pourraient découler du mécanisme de Seesaw de Type-1. Les HNL sont théoriquement motivés comme explications possibles de la petitesse des masses de neutrinos, de l'asymétrie baryonique de l'univers via la leptogénèse, et comme candidats à la matière noire. Bien que des recherches antérieures aient contraint les HNL dans diverses plages de masses, incluant les signatures de particules à longue durée de vie, cet article traite de la recherche de désintégrations promptes d'HNL produites dans les désintégrations de bosons $W$ en utilisant l'ensemble des données du Run 2 du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC).

Méthodologie
L'analyse utilise $140 \text{ fb}^{-1}$ de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13 \text{ TeV}$ collectées par le détecteur ATLAS. La recherche cible la production d'un HNL unique ( $N$ ) via un mélange avec des neutrinos du MS dans la désintégration d'un boson $W$ sur couchelı (on-shell), soit $W \to \ell^\pm N$ , suivie de la désintégration prompte de l'HNL en un lepton chargé et un neutrino ( $N \to \ell^\mp \nu$ ). En raison de la nature de Majorana de l'HNL, ce processus produit un état final avec trois leptons chargés et un neutrino, où deux leptons partagent la même saveur et la même charge électrique (même saveur et même charge, SFSC, pour Same-Flavor Same-Charge), et le troisième lepton possède une saveur différente et une charge opposée.

Sélection d'événements : L'analyse définit des régions de signal (SR) exigeant soit trois leptons promptes de signal, soit deux leptons de signal plus un lepton de base. Pour supprimer les bruits de fond dominants du MS (tels que la production de $WZ$, $ZZ$ et $VVV$), les événements présentant trois leptons de même saveur sont exclus, et des exigences cinématiques sont appliquées à des variables incluant la masse transverse ( $m_T$ ), la masse effective ( $m_{\text{eff}}$ ) et la masse invariante de la paire de leptons SFSC ( $m_{\ell\ell}^{\text{SC}}$ ). Un veto sur les jets $b$ est appliqué pour réduire les bruits de fond issus des quarks top.
Estimation du bruit de fond : Les bruits de fond sont classés en trois groupes :
1. Processus du MS prompts : Estimés à l'aide de simulations de Monte Carlo (MC) normalisées aux sections efficaces théoriques (dominés par $WZ$).
2. Inversion de charge des électrons (charge-flip) : Estimés par des méthodes basées sur les données (data-driven) basées sur la probabilité de mauvaise identification de la charge des électrons, bien qu'ils se soient révélés négligeables dans les régions de signal.
3. Leptons faux et non-prompts : Estimés par la méthode de la matrice basée sur les données, qui exploite les différences d'efficacité entre les critères d'identification de leptons lâches (loose) et stricts (tight). Cette catégorie constitue la source dominante de bruit de fond.
Incertitudes systématiques : Les incertitudes incluent la luminosité intégrée (0,83 %), les efficacités d'identification et de reconstruction des leptons, l'échelle et la résolution de l'énergie des jets, ainsi que les incertitudes de modélisation pour les processus de signal et de bruit de fond. Les incertitudes dominantes proviennent des erreurs statistiques et systématiques de l'estimation du bruit de fond des leptons faux/non-prompts.

Contributions clés

Plage de masse étendue : Cette analyse couvre une plage de masse de lepton neutre lourd allant de $8 $à$ 65 \text{ GeV}$, étendant ainsi les recherches antérieures d'ATLAS sur les désintégrations promptes basées sur des jeux de données partiels du Run 2.
Régions de signal exhaustives : L'étude définit et optimise plusieurs régions de signal pour les états finaux $e^\pm e^\pm \mu^\mp$ et $\mu^\pm \mu^\pm e^\mp$ , ainsi que des régions de signal à deux leptons pour récupérer les événements où le troisième lepton échoue aux critères de signal stricts mais passe les critères de base.
Validation robuste du bruit de fond : Les méthodes d'estimation du bruit de fond sont validées dans des régions de contrôle et des régions de validation (VR) définies avec des coupures cinématiques assouplies, montrant un bon accord entre les données observées et les prédictions de bruits de fond du MS à $2\sigma$ .

Résultats
Aucun excès significatif d'événements par rapport au bruit de fond attendu du Modèle Standard n'a été observé. Les rendements d'événements observés dans toutes les régions de signal sont cohérents avec les prédictions de bruit de fond, la plus grande déviation locale étant de $1,7$ écart-type dans la région de signal SRE3.

Par conséquent, l'analyse établit des limites d'exclusion dépendantes du modèle sur les paramètres de mélange $|U_e|^2$ et $|U_\mu|^2$ en fonction de la masse de l'HNL ( $m_{\text{HNL}}$ ) :

Plage de masse complète ($8 $–$ 65 \text{ GeV}$) : L'analyse exclut les valeurs de $|U_e|^2$ supérieures à $8 \times 10^{-5}$ et les valeurs de $|U_\mu|^2$ supérieures à $5,0 \times 10^{-5}$ .
Contraintes les plus fortes : Les limites les plus strictes sont obtenues dans la plage de masse $15 $–$ 30 \text{ GeV}$, excluant $|U_e|^2 < 1,1 \times 10^{-5}$ et $|U_\mu|^2 < 5 \times 10^{-6}$ .
Plages plus larges : Des limites supérieures de $1,8 \times 10^{-5}$ et $7,0 \times 10^{-6}$ sont fixées pour $|U_e|^2$ et $|U_\mu|^2$ respectivement sur des intervalles de masse plus larges ($15 $–$ 50 \text{ GeV}$ et $15 $–$ 40 \text{ GeV}$).

Signification
L'article affirme que ces résultats supplantent les recherches antérieures d'ATLAS basées sur des données partielles du Run 2 et complètent les recherches existantes pour les HNL à longue durée de vie et d'autres mécanismes de production d'HNL (tels que la fusion de bosons vectoriels). En se concentrant sur les signatures promptes dans la plage de masse $8 $–$ 65 \text{ GeV}$, ce travail fournit les contraintes les plus strictes à ce jour sur le mélange des leptons neutres lourds avec les neutrinos électroniques et muoniques dans ce régime cinématique spécifique, sondant efficacement l'espace des paramètres où les HNL pourraient expliquer l'origine de la masse des neutrinos et l'asymétrie matière-antimatière.

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