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

기술 요약: 벡터 보손 산란에서의 $\tau$-렙톤 최종 상태를 통한 무거운 마요라나 중성미지 탐색

문제 및 동기
중성미자 진동의 관측은 중성미로가 0이 아닌 질량을 가지고 있음을 확인시켜 주었으나, 이는 표준 모형(Standard Model, SM)으로는 설명되지 않는 현상이다. Type-I seesaw 메커니즘은 무거운 마요라나 중성미지($N$)의 존재를 가정함으로써 이를 자연스럽게 설명하며, 이들은 $m_\nu \propto v^2/m_N$ 관계를 통해 가벼운 중성미스의 질량을 억제한다. 중성퇴 2중 베타 붕괴 탐색이 가벼운 중성미지의 마요라나 성질을 조사하는 한편, 무거운 마요라나 중성미지는 콜라이더를 통해 렙톤 수 위반(Lepton Number Violating, LNV) 과정을 통해 조사될 수 있다. 특히, 벡터 보손 산란(Vector Boson Scattering, VBS)을 통한 동일 부호(same-sign, SS) 다이렙톤 생성은 공명 $W$-보손 생성이 운동학적으로 접근 불가능한 TeV 범위의 무거운 마요라나 중성미지에 대해 민감한 채널이다. ATLAS와 CMS의 이전 탐색들은 SS 전자 및 뮤온 최종 상태($e^\pm e^\pm$, $e^\pm \mu^\pm$, $\mu^\pm \mu^\pm$)에 집중해 왔다. 본 논문은 이 특정 위상(topology)에서 $\tau$-렙톤과 결합하는 무거운 마요라나 중성미지에 대한 탐색의 공백, 즉 LHC에서 아직 탐구되지 않은 VBS 위상에서의 $\tau$-렙톤 채널을 다룬다.

방법론
본 분석은 ATLAS 검출기에서 수집된 $\sqrt{s} = 13$ TeV의 양성자-양성자 충돌 데이터(통합 휘도 $140 \text{ fb}^{-1}$에 해당)를 활용한다. 탐색 대상은 무거운 마요라나 중성미지에 의해 매개되는 과정 $pp \to W^\pm W^\pm jj \to \ell^\pm \ell'^\pm jj$이며, 여기서 최종 상태는 동일 부호의 $\tau$-렙톤을 포함한다.

• 신호 채널(Signal Channels): 분석은 $\tau$-렙톤의 붕괴 모드에 따라 세 가지 신호 영역(SR)을 고려한다:
  1. $\tau_{\text{lep}}\tau_{\text{had}}$: 하나의 $\tau$는 렙톤으로 붕괴($e$ 또는 $\mu$)하고 다른 하나는 강입자(hadronic)로 붕괴($\tau_{\text{had-vis}}$)한다. 이는 다시 $e\tau_{\text{had}}$와 $\mu\tau_{\text{had}}$ SR로 나뉜다.
  2. $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$: 두 $\tau$-렙톤 모두 강입자로 붕괴한다.
• 사건 선택(Event Selection): 사건은 동일 부호의 렙톤 쌍(프롬프트 렙톤과 $\tau_{\text{had-vis}}$ 사이, 또는 두 개의 $\tau_{\text{had-vis}}$ 후보 사이)과 최소 두 개의 제트(jet)를 포함해야 한다. VBS 위상을 분리하기 위해, 두 개의 리딩 제트는 $m_{jj} > 300$ GeV 및 $|\Delta\eta_{jj}| > 4$를 만족해야 한다. 톱 쿼크 배경사건을 억제하기 위해 $b$-제트를 포함하는 사건은 제거(veto)된다.
• 대상 재구성(Object Reconstruction): 전자와 뮤온은 엄격한 식별 및 격리(isolation) 기준을 사용하여 재구성된다. 강입자 $\tau$ 후보($\tau_{\text{had-vis}}$)는 QCD 제트와 구별하기 위해 순환 신경망(RNN) 기반 식별 알고리즘을 사용하여 재구성된다.
• 배경사건 추정(Background Estimation):
  • Jet $\to \tau_{\text{had}}$ 페이크(fakes): 주요 배경사건으로, $W$+jets 사건이 풍부한 제어 영역에서 유도된 데이터 기반 "페이크 팩터(fake factor)" 방법을 사용하여 추정된다.
  • Lepton $\to \tau_{\text{had}}$ 페이크: $Z \to ee$ 사건으로부터 유도된 데이터 기반 계수로 보정된 몬테카를로(MC) 시뮬레이션을 사용하여 추정된다.
  • 프롬프트 $\tau$ 배경사건: $VV$, $Z$+jets, $t\bar{t}$와 같은 과정은 Sherpa, Powheg+Pythia를 이용한 MC 시뮬레이션으로 추정된다.
• 통계적 분석: 신호 영역에서 리딩 $\tau_{\text{had-vis}}$의 횡운동량($p_T$) 분포에 대해 빈 기반 프로파일 가능도 적합(binned profile likelihood fit)을 수행한다. 계통 오차(실험적 및 이론적)는 넌시언스 파라미터(nuisance parameters)로 포함된다.

주요 기여

1. $\tau$-렙톤을 이용한 첫 번째 VBS 탐색: 본 연구는 LHC에서 동일 부호 $\tau$-렙톤 최종 상태를 사용하는 VBS 위상에서의 무거운 마요라나 중성미리에 대한 첫 번째 탐색을 제시한다.
2. 확장된 질량 도달 범위: 본 탐색은 무거운 마요라나 중성미지 질량 $m_N = 6.5$ TeV까지 탐색하며, 이는 더 낮은 질량이나 다른 위상에 국한되었던 이전 탐색의 범위를 크게 확장한다.
3. 이차원 제약 조건: 혼합 요소 $|V_{\tau N}|^2$에 대한 한계를 설정하는 것 외에도, 본 분석은 첫 번째 또는 두 번째 세대와의 혼합이 무시할 수 없는 수준인 시나리오를 다루며, 혼합 평면 $(|V_{eN}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ 및 $(|V_{\mu N}|^2, |V_{\tau N}|^2)$에 대한 동시 제약을 도출한다.

결과

• 관측: 표준 모형 배경사건 기대치로부터 유의미한 편차는 관측되지 않았다. $e\tau_{\text{had}}$, $\mu\tau_{\text{had}}$, $\tau_{\text{had}}\tau_{\text{had}}$ SR에서의 관측된 사건 수는 각각 887, 579, 270개였으며, 이는 적합된 배경사건 예측값과 일치한다.
• 배제 한계(Exclusion Limits):
  • $m_N$이 92 GeV에서 6.5 TeV 사이일 때, 제곱 혼합 행렬 요소 $|V_{\tau N}|^2$에 대한 95% 신뢰 수준(CL) 상한값이 도출되었다.
  • 가장 강력한 배제는 $m_N = 900$ GeV에서 달성되었으며, 관측(기대) 한계는 0.30 (0.31)이었다.
  • $m_N > 1.0$ TeV에 대해, 이 결과는 $\tau$-렙톤과 결합하는 무거운 마요라나 중성미지에 대해 가장 엄격한 한계를 설정한다.
  • 본 분석은 이 채널에서 $m_N > 1.5$ TeV에 대한 첫 직접적인 제약을 확립한다.
• 이차원 한계: $m_N = 1$ TeV 및 5 TeV에 대해 $(|V_{eN}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ 및 $(|V_{\mu N}|^2, |V_{\tau N}|^2)$ 평면에서의 컨투어(contour)가 제시되었으며, 두 혼합 요소가 모두 큰 파라미터 공간 영역을 배제한다.

의의
본 논문은 이 탐색이 특히 세 번째 세대 렙톤과 결합하는 무거운 마요라나 중성미지에 대해 콜라이더에서 탐구된 가장 높은 질량 척도를 나타낸다고 주장한다. 배제 한계를 탐구되지 않았던 1.5 TeV 이상의 질량 범위로 확장하고 1.0 TeV 이상의 질량에 대한 민감도를 개선함으로써, 이 결과는 세 번째 세대 혼합을 포함하는 type-I seesaw 모델의 파라미터 공간에 대한 중요한 제약을 제공한다. 신호의 부재는 공명 생성 및 기타 렙톤 플레이버 채널 탐색을 보완하며, VBS 영역에서의 무거운 마요라나 중성미지 존재에 대한 경계를 더욱 강화한다.