Search for Neutrino-Produced Long-Lived Particles Using the SBND Cosmic Ray Tagger Beam Telescope

Sintesi Tecnica: Ricerca di Particelle a Lunga Vita Prodotte da Neutrini Utilizzando il Telescopio a Fascio del Cosmic Ray Tagger di SBND

Problema e Motivazione
Il Short-Baseline Near Detector (SBND) presso il Fermilab è progettato principalmente per cercare oscillazioni di neutrini sterili. Tuttavia, la sua vicinanza al Booster Neutrino Beam (BNB) e l'intenso flusso di neutrini lo rendono anche un ambiente idoneo per la ricerca di fisica oltre il Modello Standard (BSM), specificamente per le Particelle a Lunga Vita (LLP). Mentre le ricerche convenzionali nei experimentos di neutrini acceleratori si concentrano sulle LLP prodotte dal decadimento dei mesoni, gli intensi fasci di neutrini offrono un meccanismo di produzione complementare: l'upscattering neutrino-nucleo nel materiale circostante. Questo articolo presenta la prima ricerca di fisica BSM utilizzando i dati dell'esperimento SBND, mirando specificamente alle LLP prodotte tramite upscattering di neutrini che decadono in stati finali visibili (coppie elettrone-positrone) a distanze macroscopiche.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati raccolti da una configurazione standalone del sistema SBND Cosmic Ray Tagger (CRT), denominata "CRT Beam Telescope". Questo sistema è stato operativo tra il 2017 e il 2018, prima dell'installazione della principale camera a proiezione temporale a argon liquido (LArTPC) di SBND. Il dataset corrisponde a $2,95 \times 10^{20}$ protoni su target (POT) dal BNB.

• Configurazione del Rilevatore: Il CRT Beam Telescope è composto da due pannelli di moduli di scintillatore plastico separati da 9,26 metri lungo la direzione del fascio. Il pannello a monte (18 moduli) e quello a valle (6 moduli) forniscono una risoluzione temporale di $\sim 1,5$ ns e capacità di ricostruzione spaziale.
• Modello di Segnale: La ricerca mira a uno scenario di "neutrino oscuro" in cui un neutrino del Modello Standard subisce un upscattering su un nucleo nel materiale a monte del rilevatore per produrre un fermione neutro pesante ($N$). Questa LLP si propaga una distanza macroscopica prima di decadere in una coppia elettrone-positrone e un neutrino ($N \to e^+e^-\nu$). L'analisi parametrizza la ricerca tramite la sezione d'urto di produzione effettiva $\sigma(\nu A \to NX) \times \text{Br}(N \to e^+e^- + E_{\text{miss}})$ e la lunghezza di decadimento della LLP ($c\tau$), piuttosto che un singolo modello specifico.
• Selezione degli Eventi: La topologia del segnale richiede l'assenza di attività nel pannello a monte (Veto a Monte) per rigettare i background indotti dai neutrini, seguita dalla rilevazione di due hit nel pannente a valle (Requisito di Due Hit) con una separazione minima di 22 cm. Questa selezione mira al decadimento della LLP che avviene nel volume compreso tra i due pannelli.
• Caratterizzazione del Background: I background dominanti sono le interazioni di neutrini nel suolo o nel materiale dell'edificio circostante e l'attività cosmogenica.
  • Background indotto da neutrini: Modellato utilizzando simulazioni GENIE e GEANT4, scalate al dataset.
  • Background cosmogenico: Stimato direttamente dai dati utilizzando una finestra temporale pre-spill (1,6 $\mu$s prima dello spill del fascio), che è priva di interazioni indotte dal fascio.
• Discriminazione: Un Boosted Decision Tree (BDT) viene addestrato su quattro variabili: la distanza 3D tra gli hit, la separazione orizzontale, la differenza temporale e l'energia media depositata. Il BDT distingue gli eventi simili al segnale dai restanti background.

Contributi Chiave

• Prima Ricerca BSM di SBND: Questo lavoro costituisce la prima ricerca di Fisica Oltre il Modello Standard eseguita utilizzando i dati di SBND.
• Utilizzo di un Rilevatore Standalone: Dimostra la fattibilità dell'uso di un sottosistema del rilevatore (il CRT) come strumento standalone per la ricerca di LLP, sfruttando la sua risoluzione temporale e spaziale nonostante il suo design originale per il tagging dei raggi cosmici.
• Canale di Produzione Innovativo: L'analisi mira specificamente alle LLP prodotte tramite upscattering di neutrini in materiale esterno, un canale distinto dai meccanismi di produzione da decadimento di mesoni esplorati in altri esperimenti.
• Stima del Background basata sui Dati: Il background cosmogenico è determinato interamente dai dati, evitando il ricorso a simulazioni esterne per questa componente.

Risultati
L'analisi ha osservato 831 eventi nei dati rispetto a un background atteso di $763,2 \pm 25\%$ (incluse le incertezze sistematiche). Non è stata osservata alcuna eccedenza statisticamente significativa; i test di goodness-of-fit hanno prodotto p-value di 0,65, 0,86 e 0,71 per lunghezze di decadimento di 1 m, 3,1 m e 10 m, rispettivamente.

Di conseguenza, la collaborazione ha stabilito limiti superiori al livello di confidenza del 90% (CL) per la sezione d'urto di produzione effettiva delle LLP che decadono in coppie $e^+e^-$.

• Limiti di Esclusione: I limiti raggiungono sezioni d'urto effettive di circa $10^{-38} \text{ cm}^2$ (specificamente fino a $\sim 5 \times 10^{-39} \text{ cm}^2$ nei loro punti più forti) per lunghezze di decadimento in laboratorio comprese tra 0,3 m e 100 m.
• Sensibilità: La sensibilità è massimizzata per lunghezze di decadimento su scala metrica ($c\tau \sim 1\text{--}10$ m), limitata dall'accettanza geometrica del volume di decadimento di 9,26 m.
• Interpretazione del Modello: I risultati sono interpretati nel contesto degli scenari di neutrini oscuri. Sebbene lo scenario minimale 3+1 giaccia al di sotto della sensibilità di questa ricerca per i parametri di riferimento, uno scenario 3+2 rappresentativo con una specifica scissione di massa si estende nella regione esplorata da questa analisi.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo afferma che questi risultati completano le ricerche esistenti indagando le firme di decadimento spostato a lunghezze di decadimento su scala metrica, una regione non precedentemente esplorata da altri esperimenti per le LLP prodotte da neutrini. Gli autori sottolineano che, sebbene i limiti di esclusione siano più deboli rispetto alle ricerche specifiche per modello con piena capacità del rivelatore (come MicroBooNE), questa analisi fornisce un approccio complementare unico. Dimostra che è possibile ottenere una sensibilità significativa alla fisica BSM utilizzando sottosistemi del rivelatore non originariamente progettati per tali ricerche, a condizione che possiedano una risoluzione temporale e spaziale sufficiente. Questo lavoro stabilisce le fondamenta per studi futuri utilizzando l'intero rivelatore SBND, che potrebbe estendere queste esclusioni a una gamma più ampia di lunghezze di decadimento e topologie.