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

技術要約：ベクトルボソン散乱における$\tau$レプトン最終状態を用いた重いマヨラナニュートリノの探索

問題と動機
ニュートリノ振動の観測は、ニュートリノが非ゼロの質量を持つことを裏付けているが、これは標準模型（SM）では説明されない現象である。タイプIシーソー機構は、重いマヨラナニュートリノ（$N$）の存在を仮定することで、関係式 $m_\nu \propto v^2/m_N$ を通じて軽いニュートリノの質量を抑制し、自然な説明を与える。無中性子二重ベータ崩壊の探索は軽いニュートリノの性質を調査するものであるが、重いマヨラナニュートリノは、衝突型加速器におけるレプトン数破壊（LNV）過程を通じて探索可能である。特に、同じ符号（SS）のダイレプトン生成は、重いマヨラナニュートリノの質量（$m_N$）がTeV領域にあり、共鳴$W$ボソン生成が運動学的に不可能になる場合に、ベクトルボソン散乱（VBS）を通じた感度の高いチャネルとなる。これまでのATLASおよびCMSによる探索は、SS電子およびミューオン最終状態（$e^\pm e^\pm$, $e^\pm \mu^\pm$, $\mu^\pm \mu^\pm$）に焦点を当ててきた。本論文は、このVBSトポロジーにおいて、第三世代レプトン（$\tau$）に結合する重いマヨラナニュートリノの探索における空白を埋めるものである。このチャネルは、LHCにおいてこの特定のトポロジーではこれまで未探索であった。

手法
本解析では、ATLAS検出器によって収集された、積分ルミノシティ $140 \text{ fb}^{-1}$ に相当する $\sqrt{s} = 13$ TeV の陽子陽子衝突データを利用する。探索対象とするプロセスは、$pp \to W^\pm W^\pm jj \to \ell^\pm \ell'^\pm jj$ であり、重いマヨラナニュートリノによって媒介される。ここで、最終状態は同じ符号の$\tau$レプトンを含む。

• 信号チャネル: 解析では、$\tau$レプトンの崩壊モードに基づいた3つの信号領域（SR）を考慮する：
  1. $\tau_{\text{lep}}\tau_{\text{had}}$：一方の$\tau$がレプトン的に崩壊（$e$または$\mu$）し、もう一方がハドロン的に崩壊（$\tau_{\text{had-vis}}$）する。これはさらに $e\tau_{\text{had}}$ と $\mu\tau_{\text{had}}$ のSRに分割される。
  2. $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$：両方の$\tau$レプトンがハドロン的に崩壊する。
• イベント選択: イベントには、同じ符号のレプトン対（プロンプトレプトンと $\tau_{\text{had-vis}}$ のペア、または2つの $\tau_{\text{had-vis}}$ 候補）と、少なくとも2つのジェットが含まれていることが要求される。VBSトポロジーを孤立させるため、2つの主要なジェットは $m_{jj} > 300$ GeV および $|\Delta\eta_{jj}| > 4$ を満たす必要がある。トップクォークの背景事象を抑制するために、$b$ジェットを含むイベントは除去（veto）される。
• オブジェクト再構成: 電子およびミューオンは、厳格な識別およびアイソレーション基準を用いて再構成される。ハドロン的$\tau$候補（$\tau_{\text{had-vis}}$）は、QCDジェットから区別するために、リカレントニューラルネットワーク（RNN）ベースの識別アルゴリズムを用いて再構成される。
• 背景事象（バックグラウンド）推定:
  • Jet $\to \tau_{\text{had}}$ フェイク: 主要な背景事象であり、$W$+jetsイベントに富む制御領域から導出されたデータ駆動型の「フェイクファクター」法を用いて推定される。
  • Lepton $\to \tau_{\text{had}}$ フェイク: $Z \to ee$ イベントからのデータ駆動型因子で補正されたモンテカルロ（MC）シミュレーションを用いて推定される。
  • プロンプト $\tau$ 背景事象: $VV$, $Z$+jets, および $t\bar{t}$ などのプロセスは、MCシミュレーション（Sherpa, Powheg+Pythia）を用いて推定される。
• 統計解析: 信号領域における主要な $\tau_{\text{had-vis}}$ の横運動量（$p_T$）分布に対して、ビン化されたプロファイル尤度フィットが行われる。系統誤差（実験および理論）は、摂動パラメータ（nuisance parameters）として組み込まれる。

主な貢献

1. $\tau$レプトンを用いた初のVBS探索: 本研究は、LHCにおいて同じ符号の$\tau$レプトン最終状態を用いた、VBSトポロジーにおける重いマヨラナニュートリノの初の探索を提示する。
2. 質量到達範囲の拡大: 本探索は、重いマヨラナニュートリノの質量を最大 $m_N = 6.5$ TeVまで探索し、より低い質量や異なるトポロジーに限定されていた従来の探索を大幅に拡張している。
3. 二次元制約: 混合要素 $|V_{\tau N}|^2$ に関する制限を設定することに加え、本解析は混合が第一または第二世代と無視できない程度に大きいシナリオに対処するため、混合平面 $(|V_{eN}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ および $(|V_{\mu N}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ に対する同時制約を導出する。

結果

• 観測: 標準模型の背景事象期待値からの有意な偏差は観測されなかった。$e\tau_{\text{had}}$, $\mu\tau_{\text{had}}$, および $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$ のSRにおける観測されたイベント収量は、それぞれ887、579、270であり、フィットされた背景事象予測と一致している。
• 排除限界:
  • $m_N$ が 92 GeV から 6.5 TeV の範囲において、二乗混合行列要素 $|V_{\tau N}|^2$ に対する95%信頼区間（CL）の上限が導出された。
  • 最も強い排除は $m_N = 900$ GeV で達成され、観測（期待）限界は 0.30 (0.31) であった。
  • $m_N > 1.0$ TeV において、これらの結果は$\tau$レプトンに結合する重いマヨラナニュートリノに対する最も厳格な制限を課す。
  • 本解析は、このチャネルにおける $m_N > 1.5$ TeV のための初の直接的な制約を確立している。
• 二次元限界: $m_N = 1$ TeV および 5 TeV における $(|V_{eN}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ および $(|V_{\mu N}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ 平面におけるコンター（等高線）が提示され、両方の混合要素が大きいパラメータ空間の領域が排除された。

意義
本論文は、この探索が、特に第三世代レプトンに結合する重いマヨラナニュートリノに関して、衝突型加速器で探索された中で最も高い質量スケールであることを主張している。排除限界を探索されていなかった1.5 TeV以上の質量領域へと拡張し、1.0 TeV以上の質量に対する感度を向上させることで、これらの結果は、第三世代の混合を含むタイプIシーソー・モデルのパラメータ空間に対して重要な制約を与える。信号の不在は、共鳴生成や他のレプトンフレーバーチャネルの探索を補完しつつ、VBS領域における重いマヨラナニュートリノの存在に対する境界をさらに厳格にするものである。