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Search for heavy neutral leptons in top quark decays with same-sign, same-flavor dilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS 검출기에서 수집된 $\sqrt{s}$ = 13 TeV에서의 138 fb $^{-1}$ 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여, 본 연구는 동일 부호, 동일 맛(same-sign, same-flavor) 이중 경량 최종 상태를 통한 톱 쿼크 붕괴 내 마요라나 무거운 중성 레프톤을 탐색하며, 표준 모형 배경 위에 유의미한 과잉이 관찰되지 않음에 따라 관련 분기율에 대한 95% 신뢰 수준 상한선을 설정한다.

원저자: CMS Collaboration

게시일 2026-11-04

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CC BY 4.0

원저자: CMS Collaboration

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

수십 년 동안 물리학자들은 현재의 상태로는 우주가 완전히 완결되지 않았다는 사실을 알고 있었습니다. 자연의 근본적인 입자와 힘을 설명하는 이론인 표준 모델은 놀라운 정밀도로 작동하지만, 한 가지 명백한 공백을 남겨두고 있습니다. 바로 왜 중성미리(neutrinos)—우주를 가로질러 흐르는 이 유령 같은 입자들—가 질량을 가지고 있는지 설명하지 못한다는 점입니다. 원래 이 모델은 중성미리가 질량이 없다고 가정했으나, 실험을 통해 그렇지 않음이 확인되었습니다. 이 작은 불일치는 표준 모델이 더 깊은 실재에 대한 부분적인 관점에 불과하다는 것을 시사합니다. 이 공백을 채우기 위해 과학자들은 우리가 익숙하게 알고 있는 중성미리의 무거운 사촌 격이자, 우주에 왜 물질이 존재하는지를 이해하는 열쇠가 될 수 있는 '무거운 중성 레프톤(heavy neutral leptons)'의 존재를 제안했습니다. 이 가상의 입자들은 현재의 이해를 확장하는 이론들에 의해 예측되며, 일반적인 중성미리에서 관찰되는 작은 질량을 생성하는 동시에 그보다 무거운 대응 입자들을 우리의 시야로부터 숨기는 메커니즘을 제공합니다.

이 미스터리의 핵심에는 우리가 아는 물질과는 다르게 행동하는 특정한 종류의 무거운 입자가 있습니다. 일반적인 입자들은 자신의 거울 이미지로 변하는 것을 방지하는 뚜렷한 정체성을 가지고 있는 반면, 이 무거운 중성 레프톤은 자기 자신의 반입자(antiparticle)가 될 수 있다고 이론적으로 추정됩니다. 만약 이러한 입자가 존재한다면, 이는 모든 상호작용에서 특정 입자의 수를 균형 있게 유지해 주는 원리인 '레프톤 수 보존(lepton number conservation)'이라는 자연의 근본적인 규칙을 위반하게 됩니다. 이러한 위반의 증거를 찾는 것은 기념비적인 발견이 될 것이며, 자연이 현재의 교과서에서는 엄격히 금지된 과정을 허용한다는 것을 증명할 것입니다. 이는 이 무거운 입자들이 존재하며, 일반적인 물질은 할 수 없는 방식으로 변할 수 있음을 확증하고, 잠재적으로 우주의 물질-반물질 불균형의 기원을 설명해 줄 것입니다.

이 미묘한 입자들을 추적하기 위해, 제네바의 대형 강입자 충돌기(LHC) 연구진은 알려진 가장 무거운 기본 입자인 톱 쿼크(top quark)에 주목했습니다. 표준 모델에서 톱 쿼크는 거의 항상 바텀 쿼크와 W 보손으로 붕괴하며, 그 후 W 보손은 더 가벼운 입자들로 분해됩니다. 그러나 만약 무거운 중성 레프톤이 존재한다면, 톱 쿼크는 드물게 다른 경로를 택하여 바텀 쿼크, 전자나 뮤온 같은 전하를 띤 경량 입자, 그리고 하나의 무거운 중성 레프론으로 붕괴할 수 있습니다. 이 무거운 입자는 짧은 거리를 이동한 후 스스로 붕괴하여 또 다른 전하를 띤 경량 입자와 W 보손을 생성할 것입니다. 무거운 입자가 자기 자신의 반입자이기 때문에, 이 입자가 생성하는 두 번째 경량 입자는 첫 번째 입자와 동일한 전기적 전하를 갖게 됩니다. 이는 매우 희귀하고 독특한 신호, 즉 단일 충돌 이벤트 내에서 함께 나타나는 두 개의 동일한 전하를 가진 전자 또는 두 개의 뮤온을 만들어냅니다.

수천 명의 과학자로 구성되어 거대한 검출기를 운영하는 CMS 협력단은 이 특정한 패턴을 찾기 위해 방대한 양의 양성자-양성자 충돌 데이터를 분석했습니다. 그들은 2016년부터 2018년까지의 방대한 기록 정보를 훑으며, 붕괴된 쿼크에서 나오는 에너지의 분출(jets)과 함께 동일한 전하를 가진 두 입자가 나타나는 사건을 찾았습니다. 과제는 매우 험난합니다. 왜냐하면 일반적인 입자 상호작용의 배경 소음(background noise)이 압도적이기 때문입니다. 대부분의 충돌은 반대 전하를 가진 입자 쌍을 생성하며, 동일한 전하를 가진 두 입자를 찾는 것은 대개 측정 오류나 이미 알려진 희귀한 과정을 의미합니다. 잠재적인 신호를 이 소음으로부터 분리하기 위해, 연구팀은 실제 무거운 입자의 붕데와 표준 배경 사건 사이의 미묘한 에너지 및 방향 차이를 인식하도록 훈련된 정교한 컴퓨터 알고리즘을 사용했습니다.

엄격한 선택 기준을 적용하고 분석 도구로 데이터를 실행한 결과, 연구진은 찾고자 했던 무거운 중성 레프톤의 증거를 발견하지 못했습니다. 관찰된 사건의 수는 일반적인 배경 과정에 대한 예측과 완벽하게 일치했습니다. 톱 쿼크가 무거운 중성 레프론으로 붕괴하여 발생하는 것으로 간주할 수 있는 동일 전하 경량 입자 쌍의 과잉 현상은 나타나지 않았습니다. 이러한 결과가 없다는 것(null result) 자체도 중요한 발견인데, 이는 과학자들이 이 입자들이 어디에 숨어 있을 수 있는지에 대한 엄격한 경계선을 설정할 수 있게 해주기 때문입니다. 그들은 만약 이 무거운 입자들이 존재하고 톱 쿼크 붕괴 과정에서 생성된다면, 매우 드물게 발생해야 하며, 즉 톱 쿼크 붕괴 수만 번당 한 번 미만으로 발생해야 한다는 것을 밝혀냈습니다.

이 연구는 20에서 100 기가전자볼트(GeV) 사이의 질량을 가진 무거운 중성 레프톤에 초점을 맞추었으며, 이 질량 범위는 이 특정 붕괴 채널에서 이전에 철저히 탐구되지 않았던 영역입니다. 이 질량 범위의 입자들에 대해, 연구진은 톱 쿼크가 무거운 중성 레프론으로 붕괴할 확률이 매우 작은 분율로 제한된다는 것을 계산했습니다. 전자의 경우, 입자의 질량에 따라 약 20,000에서 90,000번의 톱 쿼크 붕괴당 1회 미만으로 붕괴가 일어납니다. 뮤온의 경우, 그 제한은 더욱 엄격하여 약 40,000에서 270,000번의 붕괴당 1회 미만으로 발생합니다. 이 한계치들은 이 특정 생성 방식에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약이며, 만약 이 입자들이 더 높은 비율로 생성된다면 존재 가능성을 배제합니다.

비록 이번 탐색에서 무거운 입자를 찾아내지는 못했지만, 이 연구는 탐색 범위를 좁힘으로써 퍼즐의 결정적인 조각을 제공했습니다. 결과는 만약 이 무거운 중성 레프톤이 존재하고 이론이 예측하는 방식대로 톱 쿼크와 상호작용한다면, 이들은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 찾기 어려울 것임을 말해줍니다. 데이터는 표준 모델과 일치하며, 이는 무거운 입자들이 존재하더라도, 만약 존재한다면 이 특정 메커니즘을 통해 중성미리 질량의 미스터리를 설명할 만큼 빈번하게 톱 쿼크 붕괴에서 나타나지는 않는다는 것을 시사합니다. 이는 이론가들이 자신들의 모델 매개변수를 재고하거나 다른 생성 채널에서 이 입자들을 찾도록 만듭니다. 이 연구는 발견의 부재가 발견만큼이나 정보 가치가 높으며, 과학계가 우주의 근본적인 구성 요소를 이해하기 위한 다음 단계로 나아갈 수 있도록 안내한다는 현대 입자 물리학의 정밀함을 보여주는 증거입니다.

기술 요약: 톱 쿼크 붕괴에서의 무거운 중성 레프톤 탐색

문제 및 동기
중성미자 진동의 관측은 표준 모델(SM) 중성미자가 비제로 질량을 가짐을 확인시켜 주었으나, 이는 최소 표준 모델 프레임워크 내에서는 설명되지 않는 현상입니다. Type-I seesaw 메커니즘은 우측 방향 키랄 중성미자 장을 도입함으로써 이 문제를 이론적으로 해결하며, 그 결과 가볍고 표준 모델과 유사한 중성미자와 무거운 중성 레프톤(HNL)을 생성합니다. $W$ 보손 붕괴나 $B$ 중간자 붕괴를 통한 HNL에 대한 직접적인 탐색이 수행되어 왔으나, 톱 쿼크 붕괴( $t \to b \ell N$ )를 통한 HNL 생성은 특히 HNL 질량( $m_N$ )이 $W$ 보손 질량( $m_W$ )보다 낮은 영역에서 상호 보완적인 탐사 수단을 제공합니다. 이 채널은 마요라나(Majorana) 유형의 HNL에 의해 매개되는 레프톤 수 위반(LNV) 과정에 민감하며, 이는 독특한 질량 생성 메커니즘에 대한 증거를 제공할 수 있습니다. 또한, R-패리티 위반이나 레프토쿼크와 같은 특정 표준 모델 너머(BSM) 시나리오에서는 파괴적 간섭로 인해 직접 탐색 채널이 억제될 수 있으며, 이 경우 톱 쿼크 붕괴 채널의 중요성이 더욱 커집니다.

방법론
본 분석은 2016–2018년 런 동안 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 수집된 CMS 검출기의 양성자-양성자 충돌 데이터(통합 휘도 138 fb $^{-1}$ )를 활용합니다. 탐색 대상은 톱 쿼크 쌍( $t\bar{t}$ )이 생성되고, 한 쪽 톱 쿼크가 LNV 과정인 $t \to b \ell^+ N$ 으로 붕괴한 후, 이어서 HNL가 $N \to \ell^+ W^- \to \ell^+ f \bar{f}'$ 로 붕계하는 사건입니다. 다른 쪽 톱 쿼크는 표준 SM 모드로 붕괴합니다. 결과적인 실험적 신호는 제트들을 동반하며, 적어도 하나의 $b$ -태깅된 제트를 포함하는 동일 부호, 동일 맛깔(SSSF) 이중 레프톤 쌍( $e^\pm e^\pm$ 또는 $\mu^\pm \mu^\pm$ )입니다.

분석은 $20 \le m_N \le 100$ GeV의 질량 범위를 대상으로 합니다. $m_N < m_W$ 인 경우, HNL 붕괴로부터의 $W$ 보손은 오프쉘(off-shell) 상태이며, $m_N > m_W$ 인 경우 톱 붕괴로부터의 $W$ 보손이 오프쉘 상태가 됩니다. 탐색에는 신호를 배경사건으로부터 구별하기 위해 그래디언트 부스팅 결정 트리(BDT) 분류기를 사용하는 다변량 분석이 사용됩니다. 입력 변수에는 레프톤 횡운동량( $p_T$ ), 결측 횡운동량( $p_T^{miss}$ ), 레프톤-제트 조합의 불변 질량, 그리고 각도 분리도와 같은 운동학적 특성이 포함됩니다.

배경사건(Background)은 네 가지 유형으로 분류됩니다:

비프롬프트 레프톤(Nonprompt leptons): 매트릭스 방법(matrix method)을 사용하여 추정되는 지배적인 배경사건으로, 레프톤 오식별율을 기반으로 배경사건 측정 영역(BMR)에서 신호 영역(SR)으로 외삽합니다.
레프톤 전하 오측정(ChgMis): 데이터에서 전하 오식별율을 측정하고 이를 반대 부호 사건들에 적용하여 추정합니다.
변환 배경사건(Conversion backgrounds): 세 개의 레프톤 제어 영역에서 검증된 시뮬레이션을 사용하여 추정합니다.
프롬프트 레프톤 배경사건(Prompt-lepton backgrounds): $WZ, ZZ, t\bar{t}V$ 및 희귀 다중 보손 생성과 같은 과정들로, 시뮬레이션을 통해 추정합니다.

배경사건 추정, 레프톤 식별, 제트 에너지 스케일 및 이론적 단면적에서 발생하는 계통 불확실성은 동시 빈(bin) 최대 우도 적합(simultaneous binned maximum likelihood fit)의 섭동 매개변수(nuisance parameters)로 포함됩니다.

주요 기여 및 결과
본 분석은 전자 및 뮤온 중성미자 혼합 시나리오에 대해 분기비 $\mathcal{B}(t \to b \ell N)$ 와 혼합 매개변수의 제곱 $|V_{\ell N}|^2$ 에 대한 95% 신뢰 수준(CL) 상한치를 설정합니다.

분기비 상한치:
- 다이에렉트론 채널: 관측된(기대되는) 상한치는 $[1.1 (0.71)] \times 10^{-5}$ 에서 $[4.8 (3.0)] \times 10^{-5}$ 사이입니다.
- 다이뮤온 채널: 관측된(기대되는) 상한치는 $[3.7 (3.4)] \times 10^{-6}$ 에서 $[2.4 (1.3)] \times 10^{-5}$ 사이입니다.
- 뮤온 채로의 높은 레프톤 식별 효율과 낮은 전하 오측정율로 인해 다이뮤온 채널에서 상한치가 더 엄격합니다.
혼합 매개변수 상한치:
- $|V_{eN}|^2$ 에 대한 관측된 상한치는 $16 \times 10^{-5}$ 에서 $11 \times 10^{-2}$ 사이에서 변동합니다.
- $|V_{\mu N}|^2$ 에 대한 관측된 상한치는 $4.2 \times 10^{-5}$ 에서 $3.9 \times 10^{-2}$ 사이에서 변동합니다.
데이터 적합성: 관측된 데이터는 모든 테스트된 질량 가설에 대해 표준 모델 배경 예측과 일치하며, $p$ -값은 $\ge 0.3$ 입니다. 유의미한 과잉은 관찰되지 않았습니다.
타 탐색과의 비교: $20 \le m_N \le 75$ GeV 질량 범위에서, 본 탐색의 기대 상한치는 톱 쿼크 붕괴에서의 HNL에 대한 이전 ATLAS 탐색보다 약 2배 더 강력합니다. 그러나 $m_N > m_W$ 인 경우, 신호 과정이 더 이상 온쉘(on-shell) $W$ 보손에 의해 매개되지 않으므로 감도가 급격히 감소하며, 이는 $W$ 보손 붕괴에서의 직접적인 HNL 탐색보다 민감도가 낮아짐을 의미합니다.

의의
본 연구는 동일 부호, 동일 맛깔 이중 레프톤 최종 상태를 사용하여 특히 톱 쿼크 붕괴에서 생성되는 마요라나 HNL을 탐색한 최초의 CMS 연구를 제시합니다. $m_N < m_W$ 영역을 높은 정밀도로 조사함으로써, 본 분석은 기존의 직접 탐색 전략을 보완하며 Type-I seesaw 모델의 맥락에서 HNL과 표준 모델 중성미자 사이의 혼합에 대한 엄격한 제약을 제공합니다. 본 결과는 복잡한 톱 쿼크 환경에서 희귀한 LNV 신호를 분리해내는 CMS 검출기와 분석 기법의 능력을 입증하며, 20–100 GeV 질량 범위에서 HNL 탐색의 새로운 기준점을 설정했습니다.

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