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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

Cet article présente une recherche de leptons neutres lourds à longue durée de vie dans les collisions proton-proton à 13 et 13,6 TeV en utilisant une signature d'un muon prompt et de deux muons non-prompts formant un sommet secondaire, établissant des limites d'exclusion au niveau de confiance de 95 % sur le paramètre de mélange pour des masses de HNL comprises entre 1 et 5 GeV sans observer d'excès par rapport au bruit de fond.

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-11-02

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS 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

Depuis des décennies, les physiciens savent que l'univers manque de quelque chose. Le Modèle Standard, la théorie qui décrit les particules fondamentales et les forces composant tout ce que nous voyons, fonctionne avec une précision stupéfiante. Pourtant, il laisse une lacune flagrante : il ne peut expliquer pourquoi les neutrinos, ces particules fantomatiques qui traversent la Terre par billions chaque seconde, possèdent une masse. La découverte que ces particules peuvent changer d'identité au cours de leur déplacement a prouvé qu'elles ne sont pas dépourvues de poids, mais le modèle n'offre aucune raison à ce poids. Pour y remédier, les scientifiques ont proposé l'existence d'un partenaire caché pour le neutrino, une particule neutre et lourde qui interagit rarement avec quoi que ce soit. Si ces « leptons neutres lourds » existent, ils pourraient expliquer non seulement la masse des neutrinos, mais aussi pourquoi l'univers est composé de matière plutôt que d'antimatière, et peut-être même ce qu'est la matière noire. Le défi est que ces particules, si elles existent, sont incroyablement insaisissables, se désintégrant en d'autres particules longtemps après avoir été créées, souvent loin du point où elles sont nées.

Au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, un chercheur utilisant le détecteur CMS a jeté un nouveau regard sur ces particules évasives. Il s'est concentré sur un scénario spécifique où un lepton neutre lourd est créé aux côtés d'un muon standard, un cousin plus lourd de l'électron, lors de collisions de protons à haute énergie. La théorie suggère que la particule lourde parcourrait une distance significative avant de se désintégrer en deux autres muons. Contraなる au muon prompt qui apparaît instantanément au point de collision, ces deux nouveaux muons émergeraient d'un « sommet secondaire », un point dans l'espace nettement déplacé par rapport au centre de la machine. Le chercheur a analysé une quantité massive de données, équivalente à 138 unités de données de collision enregistrées à une énergie de 13 téraélectron volts entre 2016 et 2018, plus 34,6 unités supplémentaires enregistrées à une énergie légèrement supérieure de 13,6 téraélectron volts en 2022. Sa stratégie consistait à ignorer les systèmes de traçage internes du détecteur, qui sont conçus pour capturer les particules apparaissant immédiatement, et à ne regarder que les chambres à muons extérieures. Cela lui a permis de repérer des muons qui avaient parcouru plusieurs mètres avant d'être détectés, une signature d'une particule ayant vécu bien plus longtemps que les particules fugaces du Modèle Standard.

La recherche a été conçue pour capturer ces particules à longue durée de vie d'une manière très spécifique. Le chercheur a recherché des événements contenant exactement trois muons : un apparaissant directement au point de collision et deux apparaissant plus tard, loin du centre, formant une paire distincte. Il a filtré des milliards d'événements de fond, tels que ceux causés par du bruit aléatoire ou des désintégrations de particules communes, en exigeant que les deux muons distants n'aient aucun lien avec les couches de traçage internes et forment un point d'origine clair et reconstruit. Il a également vérifié que le temps et l'énergie de ces particules correspondaient à ce qu'un lepton neutre lourd produirait. Malgré le tri de cet énorme ensemble de données avec une grande précision, le chercheur n'a trouvé aucune preuve de ces particules lourdes. Le nombre d'événements observés correspondait parfaitement aux prédictions des processus de fond connus, sans excès inattendu qui signalerait une nouvelle découverte.

Parce qu'il n'a trouvé aucun signal, le chercheur a pu établir des limites strictes sur l'endroit où ces leptons neutres lourds pourraient exister. Il a calculé que si ces particules ont une masse comprise entre 1 et 5 milliards d'électron volts, leur interaction avec les neutrinos ordinaires doit être extrêmement faible, bien plus faible que ce qui était auparavant jugé possible dans certains intervalles. Plus précisément, il a écarté l'existence de ces particules pour une large gamme de masses et de forces de mélange, particulièrement dans la région où les particules vivraient assez longtemps pour parcourir les mètres nécessaires pour atteindre les détecteurs extérieurs. Ce résultat est significatif car il ferme la porte sur une fenêtre spécifique de possibilités que les expériences précédentes n'avaient pas pu sonder. En cherchant des particules qui se désintègrent loin du point de collision, cette étude a étendu la portée de la recherche dans une région de durées de vie longues qui avait été difficile d'accès. Les conclusions ne prouvent pas que les leptons neutres lourds n'existent pas du tout, mais elles confirment que s'ils existent, ils ne se cachent pas dans la plage de masse et de durée de vie spécifique que cette expérience était destinée à trouver. La recherche continue, mais ce chapitre de l'histoire s'achève avec un résultat négatif clair qui aide à guider les prochaines étapes de la quête pour comprendre la masse cachée de l'univers.

Résumé Technique : Recherche de Leptons Neutres Lourds à longue durée de vie dans des signatures avec un muon prompt et un vertex secondaire formé par deux muons non-prompts

Problème et Motivation
La découverte des oscillations de neutrinos confirme que les neutrinos possèdent des masses non nulles, suggérant une physique au-delà du Modèle Standard (SM). Les Leptons Neutres Lourds (HNL), introduits comme des contreparties de droite massives des neutrinos du SM, offrent un cadre théorique pour expliquer ces masses via le mécanisme du seesaw et peuvent potentiellement répondre à des énigmes cosmologiques telles que la matière noire et l'asymétrie matière-antimatière. Cette analyse cible les HNL produits par la désintégration des bosons W ( $W \to \ell N$ ), suivie de la désintégration de l'HNL en deux leptons chargés et un neutrino ( $N \to \ell' \ell'' \nu$ ). L'accent est mis spécifiquement sur la signature contenant trois muons : un muon prompt provenant de la désintégration primaire du W et deux muons hautement décalés (non-prompts) provenant d'un vertex secondaire (SV) formé par la désintégration de l'HNL. Cette recherche est particulièrement motivée par la région de « longue durée de vie » de l'espace des paramètres des HNL, correspondant à des masses faibles ( $m_N \lesssim 5$ GeV) et à de petits paramètres de mélange ( $|V_{N\mu}|^2 \sim 10^{-6}–10^{-5}$ ). Dans ce régime, les HNL parcourent des distances macroscopiques avant de se désintégrer, souvent à l'extérieur du tracker de silicium interne. Les recherches traditionnelles basées sur le tracker ont une acceptation limitée pour les longueurs de désintégration transverses ( $L_{xy}$ ) dépassant $\sim 1$ m. Cette analyse vise à étendre la sensibilité aux longueurs de désintégration d'environ 50 à 400 cm en reconstruisant les muons en utilisant uniquement le système de muons externe du CMS.

Méthodologie

Jeux de Données : L'analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par l'expérience CMS à l'LHC. Cela inclut une luminosité intégrée de 138 fb $^{-1}$ enregistrée à $\sqrt{s} = 13$ TeV (2016–2018) et, pour la première fois dans une recherche d'HNL à l'LHC, 34,6 fb $^{-1}$ enregistrées à $\sqrt{s} = 13,6$ TeV (2022).
Modèle de Signal : Les événements de signal sont simulés à l'aide de MADGRAPH5_aMC@NLO au niveau leading order, avec un shower de partons via PYTHIA. La simulation suppose un couplage d'HNL Majorana exclusivement au goût du neutrino muonique ( $|V_{Ne}|=|V_{N\tau}|=0$ ). Des échantillons sont générés pour $m_N$ dans la plage de 1 à 6 GeV. Pour tenir compte de la dépendance de la durée de vie de l'HNL par rapport à la masse et à la force de mélange, un repondérage par événement est appliqué pour correspondre à la distribution de la durée de vie propre pour des paramètres de mélange spécifiques.
Reconstruction et Sélection d'Événements :
- Trigger : Les événements sont sélectionnés via des triggers à muon unique exigeant un muon isolé avec $p_T > 27$ (24) GeV.
- Muon Prompt ( $\mu_0$ ) : Exactement un muon prompt est requis, satisfaisant des critères d'identification et d'isolation stricts ( $I_{rel} < 0,15$ ) et provenant du vertex primaire (PV).
- Muons Décalés ( $\mu_1, \mu_2$ ) : Le cœur de l'analyse repose sur des muons « displaced standalone » (DSA). Ceux-ci sont reconstruits en utilisant uniquement les traces dans le système de muons (tubes à dérive, chambres à bandes de cathode, chambres à plaques résistives) sans nécessiter de correspondance avec des traces dans le tracker de silicium interne. Cette technique permet la reconstruction de muons se désintégrant dans les couches externes du tracker ou au-delà.
- Vertex Secondaire : Les deux muons DSA doivent former un vertex secondaire convergent avec une p-valeur de fit $> 0,001$ . Crucialement, ces muons ne doivent correspondre à aucune trace dans le système de tracker, assurant l'orthogonalité par rapport aux recherches précédentes basées sur le tracker et supprimant les fonds prompts.
- Coupures Kinématiques : Les critères de sélection exploitent la topologie du signal, incluant le grand boost de l'HNL. Les exigences incluent :
  - Moment transverse de la paire de muons $p_T^{pair} > 10$ GeV.
  - Séparation angulaire $\Delta R(\mu_1, \mu_2) < 1,0$ et $\cos \theta(\mu_1, \mu_2) > 0,9$ .
  - Masse invariante des trois muons $40 < m(\mu_0, \mu_1, \mu_2) < 90$ GeV.
  - Séparation azimutale $\Delta \phi(\mu_0, \mu_{1/2}) > 1,5$ .
  - Veto sur les jets b-tagués et les candidats boson Z ( $m(\mu_0, \mu') < 80$ GeV).
Régions de Signal (SR) : La SR est divisée en quatre bacs basés sur deux variables discriminantes : le moment transverse de la paire de muons ( $p_T^{pair}$ ) et la significativité du déplacement du vertex secondaire ( $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}}$ ). Les seuils de segmentation optimaux sont $p_T^{pair} > 22$ GeV et $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}} > 4$ .
Estimation du Fond : Les fonds dominants proviennent de paires de muons prompts ou légèrement décalés mal reconstruits (par exemple, des désintégrations de $J/\psi$ dues au pileup ou des désintégrations semi-leptoniques de hadrons b). Puisque la simulation Monte Carlo ne peut pas modéliser de manière fiable les inefficacités instrumentales causant de telles erreurs de reconstruction, une méthode pilotée par les données « ABCD » est employée. Deux conditions statistiquement indépendantes définissent quatre régions : un veto de tracker sur $\mu_1$ et une sélection de signal réduite. Le rendement du fond dans la SR (Région A) est estimé par $n_A = n_B \times (n_C / n_D)$ , où $n_B, n_C, n_D$ sont les rendements dans les régions de contrôle. Des régions de validation (VR) confirment la robustesse de la méthode ; une non-fermeture observée dans les sidebands de bas $p_T$ est attribuée aux conversions de photons, une contribution jugée négligeable dans la SR de haut $p_T$ .

Contributions Clés

Sensibilité Étendue à la Longueur de Désintégration : En utilisant des muons DSA reconstruits exclusivement dans le système de muons, cette analyse étend considérablement la portée de recherche pour les HNL avec des longueurs de désintégration transverses allant jusqu'à $\sim 400$ cm, un régime inaccessible aux analyses standards basées sur le tracker.
Première Utilisation des Données à 13,6 TeV : Il s'agit de la première recherche d'HNL à l'LHC incorporant les données du run 2022 à $\sqrt{s} = 13,6$ TeV.
Orthogonalité par rapport aux Recherches Précédentes : L'exigence que les muons décalés n'aient aucune information de tracker associée rend cette recherche complémentaire à la recherche CMS rapportée dans la Réf. [40], qui reposait sur des traces décalées au sein du tracker de silicium.
Contrôle Complet du Fond : L'application de la méthode ABCD avec une validation rigoureuse dans les régions de bas $p_T$ et de veto de tracker inversé fournit une estimation robuste du fond SM résiduel.

Résultats
Aucun excès significatif d'événements par rapport au fond prédit n'a été observé dans aucune des quatre poches de signal pour les ensembles de données à 13 TeV ou 13,6 TeV. Les rendements observés sont cohérents avec l'hypothèse de fond seul, compte tenu des incertitudes statistiques et systématiques.

Sous l'hypothèse d'un HNL Majorana, des limites d'exclusion à 95 % de niveau de confiance (CL) ont été fixées sur le paramètre de mélange $|V_{N\mu}|^2$ en fonction de la masse de l'HNL $m_N$ dans la plage de 1 à 5 GeV.

L'analyse exclut les paramètres de mélange dans la plage de $10^{-6}$ à $10^{-5}$ pour des masses comprises entre 2 et 4 GeV.
La sensibilité chute pour $m_N \gtrsim 4,5$ GeV en raison de la diminution rapide de la durée de vie de l'HNL (suivant une loi en $m_N^{-5}$ ), provoquant la désintégration des HNL plus lourds avant qu'ils n'atteignent le volume de désintégration sensible.
Comparée aux analyses CMS précédentes ciblant des plages de masses similaires (incluant les recherches de prompt, de tracker décalé et de désintégration de mésons B), cette analyse améliore la sensibilité attendue pour les masses comprises entre 2,5 et 4,2 GeV, sondant spécifiquement la région de longue durée de vie et de faible mélange.

Signification
L'article affirme que cette analyse surpasse les résultats expérimentaux précédents en termes de sensibilité pour les HNL ayant des masses comprises entre 2,5 et 4,2 GeV. En ciblant des vertices hautement décalés reconstruits exclusivement dans le système de muons, la recherche sonde une région spécifique de l'espace des paramètres des HNL (masse faible, petit mélange, longue durée de vie) qui était auparavant moins contrainte. Le résultat nul resserre davantage les contraintes sur l'existence des HNL Majorana dans cette plage de masse, excluant certains scénarios de mélange qui auraient pu expliquer la génération de la masse des neutrinos ou la matière noire dans cette fenêtre cinématique. L'intégration réussie des données à 13,6 TeV démontre la capacité de l'expérience CMS à utiliser des jeux de données à plus haute énergie pour les recherches de processus rares.

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