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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

Questo articolo presenta una ricerca di leptoni neutri pesanti a vita lunga in collisioni protone-protone a 13 e 13,6 TeV utilizzando la firma di un muone prompt e due muoni non-prompt che formano un vertice secondario, stabilendo limiti di esclusione al livello di confidenza del 95% per il parametro di mixing per masse di HNL tra 1 e 5 GeV senza osservare alcun eccesso rispetto al fondo.

Autori originali: CMS Collaboration

Pubblicato 2026-11-02

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CC BY 4.0

Autori originali: CMS Collaboration

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Per decenni, i fisici hanno saputo che l'universo manca di qualcosa. Il Modello Standard, la teoria che descrive le particelle fondamentali e le forze che compongono tutto ciò che vediamo, funziona con una precisione sbalorditiva. Eppure, lascia un vuoto clamoroso: non riesce a spiegare perché i neutrini, quelle particelle fantasma che attraversano la Terra per trilioni ogni secondo, abbiano una massa. La scoperta che queste particelle possano cambiare la propria identità mentre viaggiano ha dimostrato che non sono prive di peso, ma il modello non offre alcuna ragione per questo peso. Per risolvere la questione, gli scienziati hanno proposto l'esistenza di un partner nascosto per il neutrino, una particella neutra e pesante che interagisce raramente con qualsiasi cosa. Se questi "leptoni neutri pesanti" esistono, potrebbero spiegare non solo la massa dei neutrini, ma anche perché l'universo sia fatto di materia anziché di antimateria, e forse persino cos'è la materia oscura. La sfida è che queste particelle, se esistono, sono incredibilmente elusive, decadendo in altre particelle molto tempo dopo essere state create, spesso lontano dal punto in cui sono nate.

Al Large Hadron Collider del CERN, un ricercatore che utilizza il rivelatore CMS ha gettato un nuovo sguardo su queste particelle elusive. Si è concentrato su uno scenario specifico in cui un leptone neutro pesante viene creato insieme a un muone standard, un cugino più pesante dell'elettrone, durante collisioni di protoni ad alta energia. La teoria suggerisce che la particella pesante viaggerebbe una distanza significativa prima di decadere in altri due muoni. A differenza del muone immediato che appare istantaneamente al punto di collisione, questi due nuovi muoni emergerebbero da un "vertice secondario", un punto nello spazio sensibilmente spostato rispetto al centro della macchina. Il ricercatore ha analizzato una quantità massiccia di dati, equivalente a 138 unità di dati di collisione registrati a un'energia di 13 trilioni di elettronvolt tra il 2016 e il 2018, più ulteriori 34,6 unità registrate a un'energia leggermente superiore di 13,6 trilioni di elettronvolt nel 2022. La sua strategia consisteva nell'ignorare i sistemi di tracciamento interno del rivelatore, che sono progettati per catturare particelle che appaiono immediatamente, e nel guardare solo alle camere dei muoni esterne. Ciò ha permesso di individuare muoni che avevano viaggiato per diversi metri prima di essere rilevati, una firma di una particella che è vissuta molto più a lungo delle particelle fugaci del Modello Standard.

La ricerca è stata progettata per catturare queste particelle a lunga durata di vita in un modo molto specifico. Il ricercatore ha cercato eventi contenenti esattamente tre muoni: uno che appariva proprio al punto di collisione e due che apparivano più tardi, lontano dal centro, formando una coppia distinta. Ha filtrato miliardi di eventi di fondo, come quelli causati dal rumore casuale o dai comuni decadimenti delle particelle, richiedendo che i due muoni distanti non avessero alcuna connessione con gli strati di tracciamento interno e formassero un chiaro punto di origine ricostruito. Ha anche verificato che il tempo e l'energia di queste particelle corrispondessero a ciò che un leptone neutro pesante produrrebbe. Nonostante abbia setacciato questo enorme dataset con alta precisione, il ricercatore non ha trovato alcuna evidenza di queste particelle pesanti. Il numero di eventi osservati corrispondeva perfettamente alle previsioni per i processi di fondo noti, senza eccessi inaspettati che potessero segnalare una nuova scoperta.

Poiché non ha trovato alcun segnale, il ricercatore è stato in grado di stabilire limiti rigorosi su dove questi leptoni neutri pesanti possano esistere. Ha calcolato che, se queste particelle avessero una massa compresa tra 1 e 5 miliardi di elettronvolt, la loro interazione con i neutrini ordinari deve essere estremamente debole, molto più debole di quanto precedentemente ritenuto possibile in certi intervalli. Nello specifico, ha escluso l'esistenza di queste particelle per una vasta gamma di masse e intensità di miscelazione, particolarmente nella regione in cui le particelle vivrebbero abbastanza a lungo da percorrere i metri necessari per raggiungere i rivelatori esterni. Questo risultato è significativo perché chiude la porta su una specifica finestra di possibilità che esperimenti precedenti non erano stati in grado di sondare. Guardando a particelle che decadono lontano dal punto di collisione, questo studio ha esteso la portata della ricerca in una regione di lunghe durate di vita che era stata difficile da accedere. I risultati non provano che i leptoni neutri pesanti non esistano affatto, ma confermano che, se esistono, non si nascondono nella specifica gamma di massa e durata di vita che questo esperimento era progettato per trovare. La ricerca continua, ma questo capitolo della storia è stato scritto con un chiaro risultato negativo che aiuta a guidare i passi successivi nella ricerca di comprensione della massa nascosta dell'universo.

Sintesi Tecnica: Ricerca di Leptoni Neutri Pesanti a Lunga Vita in Segnature con un Muone Prompt e un Vertice Secondario Formato da Due Muoni Non-Prompt

Problema e Motivazione
La scoperta delle oscillazioni dei neutrini conferma che i neutrini possiedono masse non nulle, suggerendo una fisica oltre il Modello Standard (SM). I Leptoni Neutri Pesanti (HNL), introdotti come controparti destrorse massicce dei neutrini dello SM, offrono un quadro teorico per spiegare queste masse tramite il meccanismo del seesaw e potenzialmente affrontare enigmi cosmologici come la materia oscura e l'asimmetria materia-antimateria. Questi HNL sono singoletti sotto il gruppo di gauge dello SM, ma possono essere prodotti in collisioni protone-protone (pp) tramite mixing con i neutrini dello SM.

Questa analisi mira agli HNL prodotti nel decadimento dei bosoni W ( $W \to \ell N$ ), seguiti dal decadimento dell'HNL in due leptoni carichi e un neutrino ( $N \to \ell' \ell'' \nu$ ). Il focus specifico è sulla regione a "lunga vita" dello spazio dei parametri degli HNL, corrispondente a masse basse ( $m_N \lesssim 5$ GeV) e parametri di mixing piccoli ( $|V_{N\mu}|^2 \sim 10^{-6}–10^{-5}$ ). In questo regime, gli HNL percorrono distanze macroscopiche prima di decadere, spesso al di fuori del tracker siliconico interno. Le ricerche tradizionali basate sul tracker hanno un'accettanza limitata per lunghezze di decadimento trasversale ( $L_{xy}$ ) superiori a $\sim 1$ m. Questa analisi mira ad estendere la sensibilità a lunghezze di decadimento di circa 50–400 cm ricostruendo i muoni utilizzando esclusivamente il sistema muonico esterno di CMS.

Metodologia

Dataset: L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dall'esperimento CMS all'LHC. Ciò include una luminosità integrata di 138 fb $^{-1}$ registrata a $\sqrt{s} = 13$ TeV (2016–2018) e, per la prima volta in una ricerca di HNL all'LHC, 34,6 fb $^{-1}$ registrate a $\sqrt{s} = 13,6$ TeV (2022).
Modello del Segnale: Gli eventi di segnale sono simulati utilizzando MADGRAPH5_aMC@NLO a leading order, con parton showering tramite PYTHIA. La simulazione assume un accoppiamento Majorana dell'HNL esclusivamente con il flavone del neutrino muonico ( $|V_{Ne}|=|V_{N\tau}|=0$ ). I campioni sono generati per $m_N$ nell'intervallo 1–6 GeV. Per tenere conto della dipendenza della vita media dell'HNL dalla massa e dalla forza del mixing, viene applicato un ripesaggio per evento per corrispondere alla distribuzione della vita media propria per specifici parametri di mixing target.
Ricostruzione ed Event Selection:
- Trigger: Gli eventi sono selezionati tramite trigger a singolo muone che richiedono un muone isolato con $p_T > 27$ (24) GeV.
- Muone Prompt ( $\mu_0$ ): È richiesto esattamente un muone prompt, che soddisfi criteri rigorosi di identificazione e isolamento ( $I_{rel} < 0,15$ ) e che origini dal vertice primario (PV).
- Muoni Dislocati ( $\mu_1, \mu_2$ ): Il cuore dell'analisi si basa sui muoni "displaced standalone" (DSA). Questi vengono ricostruiti utilizzando solo gli hit nel sistema muonico (drift tubes, cathode strip chambers, resistive plate chambers) senza richiedere il matching con tracce nel tracker interno. Questa tecnica permette la ricostruzione di muoni che decadono negli strati esterni del tracker o oltre.
- Vertice Secondario: I due muoni DSA devono formare un vertice secondario convergente con un $p$ -value di fit $> 0,001$ . Crucialmente, questi muoni non devono corrispondere a nessuna traccia nel sistema del tracker, garantendo l'ortogonalità rispetto alle precedenti ricerche basate sul tracker e sopprimendo i background prompt.
- Tagli Kinematici: I criteri di selezione sfruttano la topologia del segnale, incluso il grande boost dell'HNL. I requisiti includono:
  - Momento trasverso della coppia di muoni $p_T^{pair} > 10$ GeV.
  - Separazione angolare $\Delta R(\mu_1, \mu_2) < 1,0$ e $\cos \theta(\mu_1, \mu_2) > 0,9$ .
  - Massa invariante dei tre muoni $40 < m(\mu_0, \mu_1, \mu_2) < 90$ GeV.
  - Separazione azimutale $\Delta \phi(\mu_0, \mu_{1/2}) > 1,5$ .
  - Veto su b-tagged jet e candidati bosone Z ( $m(\mu_0, \mu') < 80$ GeV).
Regioni di Segnale (SR): La SR è divisa in quattro bin basati su due variabili discriminanti: il momento trasverso della coppia di muoni ( $p_T^{pair}$ ) e la significatività dello spostamento del vertice secondario ( $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}}$ ). Le soglie di binning ottimali sono $p_T^{pair} > 22$ GeV e $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}} > 4$ .
Stima del Background: I background dominanti derivano da coppie di muoni prompt o lievemente dislocati mal ricostruiti (ad esempio, decadimenti di $J/\psi$ da pileup o decadimenti semileptonici di b-adroni). Poiché la simulazione Monte Carlo non può modellare in modo affidabile le inefficienze strumentali che causano tali malricostruzioni, viene impiegato un metodo "ABCD" basato sui dati. Due condizioni statisticamente indipendenti definiscono quattro regioni: un veto del tracker su $\mu_1$ e una riduzione della selezione del segnale. La resa del background nella SR (Regione A) è stimata come $n_A = n_B \times (n_C / n_D)$ , dove $n_B, n_C, n_D$ sono le rese nelle regioni di controllo. Le regioni di validazione (VR) confermano la robustezza del metodo; si osserva una non-chiusura nelle sideband a basso $p_T$ attribuita a conversioni fotoniche, un contributo considerato trascurabile nella SR ad alto $p_T$ .

Contributi Chiave

Sensibilità Estesa alla Lunghezza di Decadimento: Utilizzando i muoni DSA ricostruiti esclusivamente nel sistema muonico, questa analisi estende significativamente la portata di ricerca per HNL con lunghezze di decadimento trasversale fino a $\sim 400$ cm, un regime inaccessibile alle analisi standard basate sul tracker.
Primo Uso dei Dati a 13,6 TeV: Questa è la prima ricerca di HNL all'LHC a incorporare i dati della run del 2022 a $\sqrt{s} = 13,6$ TeV.
Ortogonalità rispetto alle Ricerche Precedenti: Il requisito che i muoni dislocati non abbiano informazioni associate nel tracker rende questa ricerca complementare alla ricerca CMS riportata nel Rif. [40], che si basava su tracce dislocate all'interno del tracker siliconico.
Controllo Completo del Background: L'applicazione del metodo ABCD con una rigorosa validazione nelle regioni di basso $p_T$ e nelle regioni con veto del tracker invertito fornisce una stima robusta del background SM residuo.

Risultati
Non è stato osservato alcun eccesso significativo di eventi rispetto al background predetto in nessuno dei quattro bin di segnale per nessuno dei dataset a 13 TeV o 13,6 TeV. Le rese osservate sono coerenti con l'ipotesi di solo background entro le incertezze statistiche e sistematiche.

Sotto l'ipotesi di un HNL Majorana, sono stati stabiliti limiti di esclusione al 95% del livello di confidenza (CL) sul parametro di mixing $|V_{N\mu}|^2$ in funzione della massa dell'HNL $m_N$ nell'intervallo 1–5 GeV.

L'analisi esclude i parametri di mixing nell'intervallo da $10^{-6}$ a $10^{-5}$ per masse tra 2 e 4 GeV.
La sensibilità diminuisce per $m_N \gtrsim 4,5$ GeV a causa della rapida diminuzione della vita media dell'HNL (che scala come $m_N^{-5}$ ), causando il decadimento di HNL più pesanti prima che raggiungano il volume di decadimento sensibile.
Rispetto alle precedenti analisi CMS che miravano a intervalli di massa simili (incluse quelle prompt, con tracker dislocato e ricerche di decadimento di B-mesone), questa analisi migliora la sensibilità attesa per masse tra 2,5 e 4,2 GeV, sondando specificamente la regione a lunga vita e basso mixing.

Significatività
L'articolo afferma che questa analisi supera i risultati sperimentali precedenti in termini di sensibilità per HNL con masse tra 2,5 e 4,2 GeV. Mirando a vertici altamente dislocati ricostruiti esclusivamente nel sistema muonico, la ricerca sonda una specifica regione dello spazio dei parametri degli HNL (bassa massa, piccolo mixing, lunga vita) che era precedentemente meno vincolata. Il risultato nullo restringe ulteriormente i vincoli sull'esistenza di HNL Majorana in questo intervallo di massa, escludendo specifici scenari di mixing che avrebbero potuto spiegare la generazione della massa dei neutrini o candidati per la materia oscura in questa finestra cinematica. Il successo dell'integrazione dei dati a 13,6 TeV dimostra la capacità dell'esperimento CMS di utilizzare dataset a energia superiore per ricerche di processi rari.

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