Search for heavy Majorana neutrinos in vector boson scattering with $\tau$-lepton final states with the ATLAS detector

Sintesi Tecnica: Ricerca di Neutrini di Majorana Pesanti nello Scattering di Bosoni Vettoriali con Stati Finali di Leptoni $\tau$

Problema e Motivazione
L'osservazione delle oscillazioni dei neutrini conferma che i neutrini possiedono masse non nulle, un fenomeno non spiegato dal Modello Standard (SM). Il meccanismo di seesaw di tipo I offre una spiegazione naturale postulando l'esistenza di neutrini di Majorana pesanti ($N$), che sopprimono le masse dei neutrini leggeri tramite la relazione $m_\nu \propto v^2/m_N$. Mentre le ricerche sul decadimento doppio beta senza neutrini sondano la natura di Majorana dei neutrini leggeri, i neutrini di Majorana pesanti possono essere indagati ai collider attraverso processi di Violazione del Numero Leptonico (LNV). Nello specifico, la produzione di dileptoni con stessa carica (SS) tramite lo Scattering di Bosoni Vettoriali (VBS) è un canale sensibile per neutrini di Majorana pesanti con masse ($m_N$) nell'ordine dei TeV, dove la produzione risonante di bosoni $W$ diventa cinematicamente inaccessibile. Precedenti ricerche condotte da ATLAS e CMS si sono concentrate su stati finali di elettroni e muoni a carica uguale ($e^\pm e^\pm$, $e^\pm \mu^\pm$, $\mu^\pm \mu^\pm$). Questo articolo affronta la lacuna nella ricerca di neutrini di Majorana pesanti che si accoppiano con i leptoni del terzo genere ($\tau$) nella topologia VBS, un canale precedentemente inesplorato al LHC per questa specifica topologia.

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone a $\sqrt{s} = 13$ TeV raccolti dal rivelatore ATLAS, corrispondenti a una luminosità integrata di $140 \text{ fb}^{-1}$. La ricerca prende di mira il processo $pp \to W^\pm W^\pm jj \to \ell^\pm \ell'^\pm jj$ mediato da un neutrino di Majorana pesante, dove lo stato finale coinvolge leptoni $\tau$ con stessa carica.

• Canali di Segnale: L'analisi considera tre regioni di segnale (SR) basate sulle modalità di decadimento dei leptoni $\tau$:
  1. $\tau_{\text{lep}}\tau_{\text{had}}$: Un $\tau$ decade leptonicamente ($e$ o $\mu$) e l'altro hadronicamente ($\tau_{\text{had-vis}}$). Questa è ulteriormente suddivisa in SR $e\tau_{\text{had}}$ e $\mu\tau_{\text{had}}$.
  2. $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$: Entrambi i leptoni $\tau$ decadono hadronicamente.
• Selezione degli Eventi: Si richiede che gli eventi contengano una coppia di leptoni con stessa carica (ovvero un leptone prompt e un $\tau_{\text{had-vis}}$, oppure due candidati $\tau_{\text{had-vis}}$) e almeno due jet. Per isolare la topologia VBS, i due jet principali devono soddisfare $m_{jj} > 300$ GeV e $|\Delta\eta_{jj}| > 4$. Gli eventi contenenti jet $b$ vengono esclusi (veto) per sopprimere i background di quark top.
• Ricostruzione degli Oggetti: Elettroni e muoni sono ricostotti con criteri di identificazione e isolamento rigorosi. I candidati $\tau$ hadronicamente ($\tau_{\text{had-vis}}$) sono ricostotti utilizzando un algoritmo di identificazione basato su una rete neurale ricorrente (RNN) per distinguere i $\tau$ dai jet QCD.
• Stima del Background:
  • Falsi Jet $\to \tau_{\text{had}}$: Il background dominante, stimato tramite un metodo "fake factor" basato sui dati derivato da una regione di controllo arricchita in eventi $W$+jets.
  • Falsi Leptone $\to \tau_{\text{had}}$: Stimati tramite simulazione Monte Carlo (MC) corretta con fattori derivati dai dati da eventi $Z \to ee$.
  • Background di $\tau$ Prompt: Processi come $VV$, $Z$+jets e $t\bar{t}$ sono stimati utilizzando la simulazione MC (Sherpa, Powheg+Pythia).
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di profilo di verosimiglianza binato sulla distribuzione del momento trasverso ($p_T$) del $\tau_{\text{had-vis}}$ principale nelle regioni di segnale. Le incertezze sistematiche (sperimentali e teoriche) sono incorporate come parametri di disturbo (nuisance parameters).

Contributi Chiave

1. Prima Ricerca VBS con Leptoni $\tau$: Questo lavoro presenta la prima ricerca di neutrini di Majorana pesanti nella topologia VBS utilizzando stati finali di leptoni $\tau$ con stessa carica al LHC.
2. Estensione della Portata di Massa: La ricerca sonda masse di neutrini di Majorana pesanti fino a $m_N = 6.5$ TeV, estendendo significativamente la portata delle ricerche precedenti che erano limitate a masse inferiori o topologie differenti.
3. Vincoli Bidimensionali: Oltre a stabilire limiti sull'elemento di mixing $|V_{\tau N}|^2$, l'analisi deriva vincoli simultanei sui piani di mixing $(|V_{eN}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ e $(|V_{\mu N}|^2, |V_{\tau N}|^2)$, affrontando scenari in cui il mixing con il primo o secondo genere non è trascurabile.

Risultati

• Osservazione: Non è stata osservata alcuna deviazione significativa dall'aspettativa del background del Modello Standard. Le rese di eventi osservate nelle SR $e\tau_{\text{had}}$, $\mu\tau_{\text{had}}$ e $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$ sono rispettivamente 887, 579 e 270, coerenti con le previsioni del background fittato.
• Limiti di Esclusione:
  • Sono stati derivati limiti superiori al 95% di livello di confidenza (CL) sull'elemento della matrice di mixing al quadrato $|V_{\tau N}|^2$ per $m_N$ compreso tra 92 GeV e 6.5 TeV.
  • L'esclusione più forte è stata ottenuta a $m_N = 900$ GeV, con un limite osservato (atteso) di 0.30 (0.31).
  • Per $m_N > 1.0$ TeV, questi risultati stabiliscono i limiti più stringenti per i neutrini di Majorana pesanti che si accoppiano con i leptoni $\tau$.
  • L'analisi stabilisce i primi vincoli diretti per $m_N > 1.5$ TeV in questo canale.
• Limiti Bidimensionali: Sono stati presentati contorni nei piani $(|V_{eN}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ e $(|V_{\mu N}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ per $m_N = 1$ TeV e 5 TeV, escludendo regioni dello spazio dei parametri in cui entrambi gli elementi di mixing sono grandi.

Significatività
Il paper afferma che questa ricerca rappresenta la scala di massa più elevata esplorata ai collider per i neutrini di Majorana pesanti che si accoppiano specificamente con i leptoni del terzo genere. Estendendo i limiti di esclusione a una gamma di masse inesplorata sopra 1.5 TeV e migliorando la sensibilità per masse sopra 1.0 TeV, i risultati forniscono vincoli critici sullo spazio dei parametri del modello di seesaw di tipo I che coinvolge il mixing del terzo genere. L'assenza di un segnale stringe ulteriormente i confini sull'esistenza di neutrini di Majorana pesanti nel regime VBS, complementando le ricerche in produzione risonante e altri canali di sapore leptonico.