⚛️ 高エネルギー実験

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

本論文は、1つのプロンプトミューオンと二次頂点を形成する2つの非プロンプトミューオンというシグネチャを用い、13および13.6 TeVの陽子陽子衝突における長寿命の重い中性レプトンの探索を提示するものであり、背景事象に対して超過を観測することなく、HNL質量が1から5 GeVの間における混合パラメータに関する95%信頼水準の除外限界を設定する。

原著者： CMS Collaboration

公開日 2026-11-02

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CC BY 4.0

原著者： CMS Collaboration

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何十年もの間、物理学者たちは宇宙に何かが欠けていることを知っていました。私たちが目にするあらゆるものを構成する基本粒子と力を記述する理論である標準模型は、驚異的な精度で機能しています。しかし、そこには明白な空白があります。それは、なぜニュートリノ（毎秒何兆個もの数が地球を通り抜けているあの幽霊のような粒子）が質量を持っているのかを説明できないことです。これらの粒子が移動中にその正体を変化させ得ることが発見されたことで、それらが重さを持たないわけではないことが証明されましたが、モデルはその重さの理由を提示していません。これを解決するために、科学者たちはニュートリノの隠れたパートナー、すなわち、めったに何とも相互作用しない重い中性粒子が存在することを提案してきました。もしこれらの「重い中性レプトン」が存在するならば、それらはニュートリノの質量の理由だけでなく、なぜ宇宙が反物質ではなく物質でできているのか、そしておそらくダークマターとは何かさえも説明できる可能性があります。課題は、もしこれらの粒子が存在するとしても、それらは極めて捉えどころがなくたい、生成されてから長い時間が経過した後に他の粒子へと崩壊し、多くの場合、誕生した地点から遠く離れた場所で崩壊するという点です。

CERNの大型ハドロン衝突型加速器において、CMS検出器を使用しているある研究者が、これら捉えどころのない粒子の新たな探索を行いました。彼らは、陽子の高エネルギー衝突の際に、重い中性レプトンが標準的なミューオン（電子のより重い親戚）と共に生成されるという特定のシナリオに焦点を当てました。理論によれば、この重い粒子は崩壊してさらに2つのミューオンになる前に、かなりの距離を移動することになります。衝突点ですぐに現れるプロンプト・ミューオンとは異なり、これら2つの新しいミューオンは、「二次頂点」、つまり装置の中心から明らかに離れた空間上の点から出現します。研究者は、膨大な量のデータを分析しました。それは、2016年から2018年の間に13兆電子ボルトのエネルギーで記録された138単位の衝突データと、2022年にわずかに高い13.6兆電子ボルトのエネルギーで記録された追加の34.6単位のデータに相当します。彼らの戦略は、即座に現れる粒子を捉えるように設計されている検出器の内側トラッキング・システムを無視し、代わりに外側のミューオン・チェンバーのみを見ることでした。これにより、彼らは検出されるまでに数メートル移動したミューオンを特定することができました。これは、標準模型の儚い粒子よりもはるかに長く生存した粒子のシグネチャーです。

この探索は、これらの長寿命粒子を非常に特定的な方法で捉えるように設計されました。研究者は、1つのミューオンが衝突点ですぐに現れ、他の2つのミューオンが後で、中心から遠く離れた場所で明確なペアを形成するという、合計3つのミューオンを含むイベントを探しました。彼らは、ランダムなノイズや一般的な粒子の崩壊によって引き起こされる何十億ものバックグラウンド・イベントを、2つの遠方のミューオンが内側のトラッキング層との接続を持たず、かつ明確に再構成された原点を形成することを要求することで排除しました。また、これらの粒子のタイミングとエネルギーが重い中性レプトンが生成するものと一致するかどうかも確認しました。この膨大なデータセットを高い精度で精査したにもかかわらず、研究者はこれらの重い粒子の証拠を見つけることはできませんでした。観測されたイベント数は、既知のバックグラウンド過程の予測と完全に一致しており、新たな発見を示唆する予期せぬ過剰は見られませんでした。

信号が見つからなかったため、研究者はこれらの重い中性レプトンの存在範囲について厳格な制限を設けることができました。彼らは、もしこれらの粒子が10億から50億電子ボルトの質量を持つならば、その通常のニュートリノとの相互作用は、特定の範囲において以前考えられていたよりも極めて弱いものであると計算しました。具体的には、これらの粒子が外側の検出器に到達するために必要な数メートルを移動するのに十分なほど長く生存する領域において、幅広い質量と混合強度の範囲でこれらの粒子の存在を否定しました。この結果は、以前の実験では調査できなかった可能性のある特定の窓を閉ざしたという意味で重要です。衝突点から遠く離れて崩壊する粒子を探すことにより、この研究は、アクセスが困難であった長寿命の領域へと探索の範囲を広げました。この研究は、重い中性レプトンが全く存在しないことを証明したわけではありませんが、もし存在するとしても、今回の実験が設計した特定の質量と寿命の範囲には隠れていないことを裏付けました。探索は続いていますが、この物語の一章は、宇宙の隠された質量を理解するための次なるステップを導く、明確な負の結果とともに書き上げられました。

技術要約：1つのプロンプト・ミューオンと、2つの非プロンプト・ミューオンによって形成される二次頂点を持つシグネチャーにおける長寿命重中性レプトンの探索

問題と動機
ニュートリノ振動の発見は、ニュートリノが非ゼロの質量を持つことを裏付けており、これは標準模型（SM）を超える物理を示唆している。重中性レプトン（HNL）は、右巻きの標準模型ニュートリノとして導入されており、シーソー機構を通じてこれらの質量を説明し、ダークマターや物質・反物質の非対称性といった宇宙論的な謎に対処できる可能性のある理論的枠組みを提供する。HNLは標準模型のゲージ群の下ではシングレットであるが、標準模型ニュートリノとの混合を通じて、陽子・陽子（pp）衝突において生成され得る。

本解析は、 $W \to \ell N$ によるWボソンの崩壊に続く、HNLの $N \to \ell' \ell'' \nu$ への崩壊を標的としている。具体的な焦点は、3つのミューオンを含む最終状態にある。すなわち、1つのプロンプト・ミューオン（一次W崩壊由来）と、HNLの崩壊によって形成される二次頂点（SV）に由来する、高度に変位した（非プロンプト）2つのミューオンである。この探索は、特に「長寿命」領域のHNLパラメータ空間に対して動機付けられている。これは、低質量（ $m_N \lesssim 5$ GeV）かつ小さな混合パラメータ（ $|V_{N\mu}|^2 \sim 10^{-6}–10^{-5}$ ）に対応する領域である。この領域において、HNLはマクロな距離を移動してから崩壊するため、多くの場合、内部シリコン・トラッカーの外側で崩壊する。従来のトラッカーベースの探索では、横方向の崩壊長（ $L_{xy}$ ）が $\sim 1$ mを超える場合、受容性が制限される。本解析は、CMSの外部ミューオン系のみを用いてミューオンを再構成することにより、約50–400 cmの崩壊長への感度を拡張することを目指している。

手法

データセット： 本解析は、LHCにおけるCMS実験によって収集された陽子・陽子衝突データを利用する。これには、 $\sqrt{s} = 13$ TeV（2016–2018年）で記録された積分輝度 138 fb $^{-1}$ と、HNL探索における初の事例として、 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV（2022年）で記録された 34.6 fb $^{-1}$ が含まれる。
信号モデル： 信号イベントは、PYTHIAによるパートン・シャワーリングを伴う、MADGRAPH5_aMC@NLOによるリーディングオーダーでのシミュレーションを用いて生成される。シミュレーションは、マイノリティ・マヨラナHNLがミューオン・ニュートリノのフレーバーにのみ結合する場合（ $|V_{Ne}|=|V_{N\tau}|=0$ ）を仮定している。サンプルは $m_N$ が 1–6 GeV の範囲で生成される。HNLの寿命が質量と混合強度の関数であることを考慮し、特定のターゲット混合パラメータに対する固有の寿命分布に一致させるため、イベントごとの再重み付けが適用される。
イベント再構成と選択：
- トリガー： イベントは、 $p_T > 27$ (24) GeV の孤立したミューオンを要求するシングル・ミューオン・トリガーによって選択される。
- プロンプト・ミューオン ( $\mu_0$ )： 正確に1つのプロンプト・ミューオンが必要であり、厳格な識別および孤立条件（ $I_{rel} < 0.15$ ）を満たし、一次頂点（PV）から派生している必要がある。
- 変位ミューオン ( $\mu_1, \mu_2$ )： 解析の核となるのは、「変位スタンドアロン（DSA）」ミューオンである。これらは、内側シリコン・トラッカーのトラックとのマッチングを必要とせず、ミューオン系（ドリフトチューブ、カソードストリップチャンバー、抵抗板チェンバー）のヒットのみを用いて再構成される。この手法により、外側のトラッカー層またはそれ以降で崩壊するミューオンの再構成が可能になる。
- 二次頂点： 2つのDSAミューオンは、フィットの $p$ -値 $> 0.001$ を持つ収束する二次頂点を形成しなければならない。極めて重要な点として、これらのミューオンはトラッカー・システム内のどのトラックとも一致してはならず、これにより、以前のトラッカーベースの探索との直交性を確保し、プロンプト背景事象を抑制する。
- 運動学的カット： 選択基準は、HNLの大きなブーストを含む信号トポロジーを活用する。以下の要件が含まれる：
  - 二重ミューオン横運動量 $p_T^{pair} > 10$ GeV。
  - 角分離 $\Delta R(\mu_1, \mu_2) < 1.0$ および $\cos \theta(\mu_1, \mu_2) > 0.9$ 。
  - 三つのミューオンの不変質量 $40 < m(\mu_0, \mu_1, \mu_2) < 90$ GeV。
  - 方位角分離 $\Delta \phi(\mu_0, \mu_{1/2}) > 1.5$ 。
  - b-タグ付きジェットおよびZボソン候補のヴェト（ $m(\mu_0, \mu') < 80$ GeV）。
信号領域 (SR)： SRは、2つの識別変数、すなわち二重ミューオン横運動量（ $p_T^{pair}$ ）と二次頂点の変位の有意性（ $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}}$ ）に基づいて4つのビンに分割される。最適なビニング閾値は $p_T^{pair} > 22$ GeV および $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}} > 4$ である。
背景事象推定： 主要な背景事象は、誤再構成されたプロンプトまたは軽微に変位したミューオン対（例：集積（pileup）による $J/\psi$ 崩壊や半レプトニックなbハドロン崩壊）から生じる。モンテカルロ・シミュレーションでは、誤再構成を引き起こす計器的な非効率性を信頼性高くモデル化できないため、データ駆動型の「ABCD法」が採用される。2つの統計的に独立した条件が、4つの制御領域を定義する。これらは、 $\mu_1$ に対するトラッカー・ヴェトと、縮小された信号選択である。SR（領域A）における背景事象の収量は、 $n_A = n_B \times (n_C / n_D)$ として推定される（ここで $n_B, n_C, n_D$ は制御領域の収量である）。検証領域（VR）は、この手法の堅牢性を確認する。低 $p_T$ サイドバンドにおける非閉鎖性は光子変換に起因すると判断され、高 $p_T$ SRへの寄与は無視できるものとされる。

主要な貢献

拡張された崩壊長感度： ミューオン系のみから再構成されるDSAミューオンを利用することで、本解析は、標準的なトラッカーベースの解析では到達不可能な、 $\sim 400$ cmまでの横方向の崩壊長を持つHNLへの探索範囲を大幅に拡張した。
13.6 TeVデータの初使用： 本解析は、LHCにおける13.6 TeVでの2022年ランのデータを組み込んだ、最初のHNL探索である。
先行研究との直交性： 変位ミューオンがトラッカー情報を持たないという要求により、本探索は、シリコン・トラッカー内の変位トラックに依存していたCMSの探索（Ref. [40]）に対して補完的な関係にある。
包括的な背景制御： 低 $p_T$ および反転トラッカー・ヴェト領域における厳格な検証を伴うABCD法の適用により、残留する標準模型背景事象の堅牢な推定を実現した。

結果
13 TeVおよび13.6 TeVのデータセットのいずれにおいても、予測された背景事象に対して有意なイベントの過剰は観察されなかった。観測された収量は、統計的および系統的な不確かさの範囲内で、背景のみの仮説と一致している。

マヨラナHNL仮説の仮定の下で、1–5 GeVの範囲のHNL質量 $m_N$ の関数として、混合パラメータ $|V_{N\mu}|^2$ に対する95%信頼区間（CL）除外限界が設定された。

本解析は、2から4 GeVの質量において、 $10^{-6}$ から $10^{-5}$ の範囲の混合パラメータを除外する。
$m_N \gtrsim 4.5$ GeV では、HNLの寿命が急速に減少する（ $m_N^{-5}$ に比例してスケールする）ため、感度が低下する。これは、より重いHNLが、感度の高い崩壊領域に到達する前に崩壊するためである。
同様の質量範囲を対象とした従来のCMS解析（プロンプト、変位トラッカー、およびB中間子崩壊を含む）と比較して、本解析は2.5から4.2 GeVの間の質量において期待される感度を向上させ、特に長寿命・低混合の領域を探索している。

意義
本論文は、本解析が2.5から4.2 GeVの間のHNLに対する感度において、これまでの実験結果を上回っていると主張している。ミューオン系のみで再構成される高度に変位した頂座を標的とすることで、本探索は、これまで制約が少なかった特定のHNLパラメータ空間（低質量、小混合、長寿命）を調査している。得られた結果（null result）は、ニュートリノ質量生成やダークマターの候補を説明し得る特定の混合シナリオを、この運動学的窓において排除し、マヨラナHNLの存在に対する制約をさらに強めるものである。13.6 TeVデータの統合成功は、希少過程の探索のために、CMS実験が高エネルギーのデータセットを利用できる能力を示している。

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