Reinterpretation of ATLAS and CMS searches in monojet and mono-$V$ final states: prospects of limits on excited neutrinos

技術要約：ATLASおよびCMSによる励起ニュートリノ探索の再解釈

問題提起
クォークやレプトンが複合的な対象であるフェルミオン組成モデルによって予測される励起ニュートリノ（$\nu^*$）の探索は、標準模型を超える物理（BSM）における長年の目的となっている。励起クォーク（$q^*$）や荷電レプトン（$\ell^*$）に対する制限は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）において広範に調査されてきた一方で、$\nu^*$ に対する専用の探索は極めて少ない。直近の制約は、2012年にATLASコラボレーションによって8 TeVのデータを用いて確立され、1.6 TeV以下の質量が除外された。しかし、$\sqrt{s} = 13$ TeVで収集された大幅に大規模なRun 2のデータセットを用いた同様の制限は報告されておらず、$\nu^*$ のパラメータ空間における高質量領域は依然として未開拓のまま残されている。本研究は、既存のATLASおよびCMSのモノジェットおよびモノV探索を再解釈し、$\nu^*$ 生成に対する感度を評価することで、この空白を埋めるものである。

手法
本研究では、$\nu^*$ の現象論を記述するためにBaur-Spira-Zerwas (BSZ) 有効モデルを用いた再解釈フレームワークを採用している。このフレームワークにおいて、$\nu^*$ の生成はクォーク間の接触相互作用（CI）を介して発生し、崩壊はCIおよびゲージ媒介相互作用（GI）の両方を介して進行する。

1. 信号生成: $\sqrt{s} = 13$ TeVでの$pp$衝突における信号イベントをPythia 8.310を用いてシミュレーションした。シミュレーションは、$m_{\nu^*} = 600$ GeVから5000 GeVまでの離散的な質量範囲をカバーしている。組成スケール（$\Lambda$）については、2つのベンチマークシナリオ（$\Lambda = m_{\nu^*}$ および $\Lambda = 10$ TeV）を検討した。様々な結合パラメータ（$f, f'$）を、$0.0$から$1.0$の範囲の値でテストした。
2. 検出器シミュレーション: 検出器効果は、ATLASおよびCMSの検出器を近似する特定の構成を持つDelphes 3.5.0を用いてモデル化した。ジェット再構成にはanti-$k_t$アルゴリズム（両者で$R=0.4$のAK4、CMSにはブーストされたオブジェクトの再構成を模倣するためにAK8 $R=0.8$を追加）を使用した。
3. 再解釈戦略: 著者らは、以下のデータを用いた公開済みの信号領域（SR）選択、ポストフィット背景事象推定、および観測されたイベント収量を利用した：
   • ATLAS: 139 fb$^{-1}$のRun 2データを用いたモノジェット探索。
   • CMS: 2017–2018年の101 fb$^{-1}$のデータを用いた、モノジェットおよびモノVの結合探索。
     統計的限界は、プロファイル尤度比仮説検定および$CL_s$法を用いて導出された。解析には、潜在的な$\nu^*$ 信号が背景事象の正規化に使用されるコントロール領域（CR）を著しく汚染しないことを保証するための厳格な一貫性チェックが含まれている。高$p_T$のCRサブ領域における信号対背景比が10%を超えた点は、背景事象推定へのバイアスを避けるために統計的テストから除外された。

主な貢献と結果
本論文は、質量および結合パラメータの関数としての$\nu^*$ 生成断面積に対する95%信頼区間（CL）上限値を導出している。

• ATLAS モノジェット探索:

  • ベンチマークシナリオ $\Lambda = m_{\nu^*}$ において、モノジェット探索は、3つのフレーバーすべて（$\nu^*_e, \nu^*_\mu, \nu^*_\tau$）および代表的な結合値（$f=f'$）に対して、約3.9 TeV（観測限界）までの励起ニュートリノ質量を除外できる。
  • 除外限界は、モノジェット信号領域がCI媒介崩壊（$\nu^* \to \nu q\bar{q}$）によって支配されているため、結合パラメータ$f$に対して無視できる程度の依存性しか示さない。
  • $\Lambda = 10$ TeVのシナリオでは、モノジェットチャネルは検討された質量範囲において競争力のある制限を設定するための十分な感度を示さなかった。

• CMS モノジェットおよびモノV探索:

  • モノジェット: ATLASの結果と同様に、CMSモノジェットチャネルは$\Lambda = m_{\nu^*}$に対して競争力のある制限を提供し、~3.8 TeVまでの質量を除外した。
  • モノV: モノVチャネル（ハドロン的な$W/Z$崩壊と一致する大きな半径のジェットを対象とするイベント）は、大きな結合（$f, f'$）と高い$\Lambda$（具体的には$\Lambda = 10$ TeV）によって特徴付けられるパラメータ空間の補完的な領域に対して感度があることが証明された。
  • $\Lambda = 10$ TeVかつ$f=f'=1$の場合、CMSモノV探索は**~1.5 TeV**までの質量を除外する。このチャネルは、特にGI媒介崩壊（$\nu^* \to \ell W$、ここで$W$ボソンはハドロン的に崩壊する）に対して敏感である。$\nu^*_\tau$の限界は、ハドロン的に崩壊する$\tau$レプトンをジェットとして誤再構成する確率が高いことから、$\nu^*_e$や$\nu^*_\mu$よりもわずかに強い。

意義と主張
著者らは、本研究が既存のLHC Run 2モノオブジェクト探索が、励起ニュートリノに対する除外パラメータ空間を大幅に拡張できる可能性を示していると主張している。具体的には以下の通りである：

• 本研究は、$\Lambda = m_{\nu^*}$のシナリオにおいて、2012年の1.6 TeVの制限をRun 2のデータを用いて、ほぼ4 TeVへと更新する。
• モノジェット探索とモノV探索の相補性を強調している。すなわち、モノジェット探索は接触相互作用に支配される高質量領域を制約し、モノV探索はゲージ媒介相互作用に支配される低質量・高結合領域を制約する。
• 論文では、系統誤差の取り扱いや信号シミュレーションが実験グループ自身が行ったものほど厳密ではないものの、得られた結果は$\nu^*$ 生成に対する感度の堅牢な評価を提供するものであると明記している。
• 著者らは、さらなる現象論的研究を促進するために、テストされたすべてのシナリオに対する導出された断面積限界および期待される除外輪郭を含むGitLabリポジトリを提供している。