Improved limits on a new $Z'$ in $B-L$ scenarios with the NA64 experiment at CERN

Sintesi Tecnica: Limiti Migliorati su un Nuovo $Z'$ in Scenari $B-L$ con l'Esperimento NA64

Problema e Motivazione
Le estensioni del Modello Standard (SM) che incorporano una simmetria di gauge $U(1)_{B-L}$ aggiuntiva offrono un quadro convincente per affrontare l'origine delle masse dei neutrini e la natura della materia oscura (DM). In questi modelli, il bosone di gauge associato, $Z'$, si accoppia direttamente ai fermioni del SM (neutrini, leptoni carichi e quark) piuttosto che miscelarsi cinematicamente con il fotone come nei scenari di fotone oscuro. La simmetria $B-L$ richiede l'inclusione di neutrini destrorsi (RHN) per cancellare le anomalie di gauge. A seconda che i neutrini siano particelle Majorana o Dirac, la simmetria può essere rotta o rimanere non rotta, rispettivamente. Sebbene precedenti vincoli sulla costante di accoppiamento $g_{B-L}$ siano stati derivati da esperimenti di scattering di neutrini (solari, da reattore e basati su acceleratori) e ricerche a target fisso, rimane la necessità di vincoli di laboratorio più stretti nel range di massa sub-GeV, in particolare per scenari $U(1)_{B-L}$ non rotti e quelli che coinvolgono accoppiamenti del settore oscuro.

Metodologia
Questo lavoro presenta una rianalisi dell'intero dataset di fasci di elettroni raccolto dall'esperimento NA64 al CERN tra il 2016 e il 2022. Il dataset corrisponde a $(9,4 \pm 0,5) \times 10^{11}$ elettroni su target (EOT), rappresentando circa tre volte la statistica delle precedenti analisi NA64 su questo argomento.

La configurazione sperimentale utilizza un fascio di elettroni ad alta energia (fino a 100 GeV) che impatta su un calorimetro elettromagnetico (ECAL) attivo a piombo/scintillatore che funge da target. La strategia di ricerca si basa sulla firma di "energia mancante": se un bosone $Z'$ viene prodotto tramite interazioni elettrone-nucleo e decade invisibilmente (in neutrini o materia oscura leggera), esso trasporta via una frazione significativa dell'energia del fascio senza depositarla nei calorimetri adronici (HCAL) a valle.

L'analisi incorpora due meccanismi di produzione primari:

1. Bremsstrahlung: Il modo di produzione dominante, analogamente alle ricerche di fotoni oscuri.
2. Annihilazione Resonante $e^+e^-$: Un canale precedentemente meno enfatizzato in questo contesto, che aumenta significativamente la sensibilità nell'intervallo di massa $m_{Z'} \in [200, 300]$ MeV. La simulazione di questo canale tiene conto del moto degli elettroni atomici, che allarga la risonanza.

Le rese del segnale sono state valutate utilizzando il pacchetto Monte Carlo DMG4 per due distinti scenari:

• Simmetria non rotta ($U(1)_{B-L}$): Dove lo $Z'$ decade in neutrini (caso Dirac) o materia oscura leggera.
• Accoppiamento del Settore Oscuro: Dove lo $Z'$ si accoppia a un settore oscuro e la sua larghezza di decadimento è dominata da canali invisibili ($Z' \to \chi\bar{\chi}$).

I background provenienti da processi del Modello Standard (ad esempio, contaminanti adronici, scattering inelastico profondo e coppie di muoni) sono stati soppressi utilizzando la copertura ermetica dell'HCAL e rigorosi criteri di selezione sui depositi di energia nell'ECAL e nei rivelatori pre-shower. Non sono stati osservati eventi di segnale nel dataset finale.

Contributi Chiave e Risultati
Il contributo primario di questo lavoro è la derivazione di nuovi limiti di esclusione al livello di confidenza (C.L.) del 90% sulla costante di accoppiamento $g_{B-L}$ in funzione della massa dello $Z'$ ($m_{Z'}$).

• Simmetria non rotta (Neutrini Dirac): I nuovi limiti migliorano significativamente i precedenti risultati NA64 e superano i vincoli derivati da esperimenti dedicati di scattering di neutrini (come CHARM II, TEXONO e Borexino) per masse sub-GeV. Ciò stabilisce i vincoli di laboratorio più stringenti su $g_{B-L}$ in questo regime di massa.
• Potenziamento tramite Annichilazione Resonante: Includendo esplicitamente il canale di annichilazione risonante $e^+e^-$, l'analisi ottiene una sensibilità potenziata specificamente nella finestra di massa $200-300$ MeV, una regione in cui i precedenti limiti a target fisso erano meno competitivi.
• Accoppiamento con la Materia Oscura: Per gli scenari in cui lo $Z'$ si accoppia alla materia oscura (assumendo che la carica oscura sia dominante), i limiti di esclusione sono derivati direttamente dall'analisi del modo invisibile. I risultati sono presentati per candidati di materia oscura scalari, Majorana e Pseudo-Dirac.
• Versatilità del Modello: I contorni di esclusione sono forniti per quattro specifici modelli $B-n_i L_i$ privi di anomalie (inclusi $B-L$, $B-3L_e$, $B-2L_e-L_\mu$ e $B-L_e-2L_\mu$). Il lavoro dimostra come i limiti possano essere riscalati tra questi modelli in base alle assegnazioni specifiche delle cariche dei fermioni che influenzano le sezioni d'urto di produzione e le larghezze di decadimento.

Significatività
Il lavoro afferma che questi risultati dimostrano la forte sensibilità degli esperimenti a target fisso a energia mancante verso i bosoni di gauge leggeri con accoppiamenti diretti ai fermioni del Modello Standard. Il lavoro evidenzia la complementarità tra l'approccio di NA64 e gli esperimenti di scattering di neutrini. Stringendo i vincoli sulla costante di accoppiamento $g_{B-L}$, l'analisi restringe lo spazio dei parametri ammissibili per le estensioni $B-L$ del Modello Standard. Inoltre, l'inclusione dei meccanismi di produzione risonante sottolinea la sinergia tra diversi modi di produzione, rinforzando il ruolo di NA64 nell'esplorare estensioni del Modello Standard ben motivate, collegate alla generazione della massa dei neutrini e ai settori oscuri. I risultati sono presentati come lo stato dell'arte attuale dei vincoli di laboratorio per gli scenari $U(1)_{B-L}$ non rotti al di sotto della scala del GeV.