Updated sensitivities to heavy neutral leptons at the LHC far detectors and SHiP

Deze studie actualiseert de gevoeligheid voor zware neutrale leptonen bij LHC-verwijderde detectoren en SHiP door de nieuwste experimentele ontwerpen in de Displaced Decay Counter-tool te integreren voor een herbeoordeling van de acceptatie en de opbrengst van signaalevenementen.

De kern

Het Grote Speurtocht-update: Nieuwe plannen voor het vinden van "spookdeeltjes"

Stel je voor dat deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN enorme, supersnelle auto's zijn die tegen elkaar botsen. Bij deze botsingen ontstaan er nieuwe deeltjes. De wetenschappers hopen dat hierbij ook een heel speciaal, zwaar deeltje ontstaat: het Heavy Neutral Lepton (HNL).

Dit HNL is als een spook. Het is zwaar, maar het heeft geen elektrische lading (daarom "neutraal") en het is heel moeilijk te vangen. Het belangrijkste kenmerk is dat het niet direct verdwijnt, maar een stukje door de ruimte reist voordat het uiteenvalt in andere deeltjes die we wél kunnen zien. Dit noemen we een "langlevend deeltje".

Deze paper is eigenlijk een update van de speurplannen van wetenschappers om deze spookdeeltjes te vinden. Hier is wat er precies gebeurt, vertaald naar alledaags taal:

1. De Speurders krijgen een make-over

Vroeger hadden de wetenschappers plannen voor speciale "verre detectoren" (grote dozen ver weg van de botsplek) om deze spookdeeltjes op te vangen. Denk aan projecten als MATHUSLA, ANUBIS en SHiP.

Maar net als bij het bouwen van een huis, zijn de plannen veranderd:

• MATHUSLA: Dit was oorspronkelijk gepland als een gigantische, rechthoekige hangar (200 meter breed). Maar vanwege kosten is dit nu flink kleiner geworden (alsof je van een vliegtuigloods naar een grote garage gaat). De nieuwe versie heet MATHUSLA40.
• ANUBIS: Deze detector zat oorspronkelijk in een smalle schacht (een liftkoker) boven de versneller. Nieuwe plannen zeggen: "Nee, we bouwen hem in de grote holte onder het plafond van de grot waar de versneller zit." Dit is dichter bij de botsplek, wat goed is om de deeltjes te vangen, maar ook slecht omdat er meer "ruis" (achtergrondstoring) is.
• SHiP: Dit is een heel ander soort experiment (een "beam dump", ofwel een deeltjes-stoptermijn). De bouw is niet heel anders, maar ze gaan er drie keer langer mee werken dan eerst gepland.

2. De Rekenmachine is bijgewerkt

De auteurs van dit artikel hebben een computerprogramma (een soort digitale rekenmachine genaamd Displaced Decay Counter) gebruikt om te berekenen: "Als deze nieuwe plannen waar zijn, hoe goed kunnen we dan die spookdeeltjes vinden?"

Ze hebben de nieuwe maten van de gebouwen en de nieuwe tijdsplanningen in de computer getypt en de resultaten geüpdatet.

3. Wat zeggen de resultaten? (De Speurtocht)

Het resultaat is een kaart (zie Figuur 1 in het artikel) die laat zien welke deeltjes ze kunnen vinden en welke niet.

• De "Grote Winnaar" (SHiP): Omdat SHiP nu drie keer langer gaat draaien, is het waarschijnlijk de beste jager op de lichtere spookdeeltjes. Het heeft de meeste kans om ze te vinden in het lage gewichtsgebied.
• De "Middelgrote Jager" (MATHUSLA100): De oorspronkelijke, grotere versie van MATHUSLA zou de beste zijn geweest voor zwaardere deeltjes. Maar omdat de nieuwe versie (MATHUSLA40) kleiner is, is hij ongeveer 5 keer minder gevoelig. Hij kan nog steeds veel vinden, maar minder dan eerst gepland.
• De "Dichtbij-jager" (ANUBIS-ceiling): Omdat de nieuwe ANUBIS dichter bij de botsplek staat, kan hij deeltjes vangen die sneller verdwijnen. Dit maakt hem ongeveer 2 keer beter dan de oude schacht-versie, maar hij moet wel vechten tegen meer achtergrondruis.

4. Waarom is dit belangrijk?

Tot nu toe hebben we geen bewijs gevonden voor "nieuwe fysica" buiten het Standaardmodel (de huidige regels van de natuurkunde). Als we deze HNL's vinden, zou dat een enorme doorbraak zijn. Het zou kunnen verklaren waarom neutrino's (de lichtste deeltjes in het universum) massa hebben, en misschien zelfs waarom er meer materie dan antimaterie is in het heelal.

Samenvattend in één zin:
De wetenschappers hebben gezegd: "Onze plannen voor de gebouwen zijn veranderd (kleiner, of op een andere plek, of langer open), dus we hebben onze berekeningen opnieuw gedaan om te zien hoe goed we nu nog kans maken om die mysterieuze spookdeeltjes te vangen."

Het goede nieuws is dat ze nog steeds heel veel nieuwe gebieden van de natuurkunde kunnen verkennen, zelfs met de aangepaste plannen. Het slechte nieuws is dat de kleinere MATHUSLA iets minder ver kan kijken dan eerst gehoopt.

Technische samenvatting

Titel: Bijgewerkte gevoeligheid voor zware neutrale leptonen bij de verre detectoren van de LHC en SHiP

Auteurs: Zeren Simon Wang en Yu Zhang (Hefei University of Technology)
Datum: 26 maart 2026 (arXiv:2512.13011v2)

---

1. Het Probleem en de Context

Hoewel de Large Hadron Collider (LHC) het Higgs-boson heeft ontdekt, heeft hij tot nu toe geen direct bewijs gevonden voor fysica buiten het Standaardmodel (BSM). Traditionele zoektochten naar zware deeltjes die direct vervallen, hebben steeds strengere uitsluitingsgrenzen opgelegd, wat de natuurlijkheid van theorieën zoals supersymmetrie (SUSY) in twijfel trekt.

Een veelbelovend alternatief zijn Langlevende Deeltjes (LLP's). Deze deeltjes reizen macroscopische afstanden voordat ze vervallen. Specifiek richt deze studie zich op Zware Neutrale Leptonen (HNL's), ook wel zware neutrino's of steriele neutrino's genoemd.

Verschillende experimenten zijn ontworpen om LLP's te detecteren, waaronder verre detectoren bij de LHC (zoals FASER, MATHUSLA, ANUBIS, CODEX-b) en de SHiP-stralingsdump-experiment. Echter, de ontwerpplannen voor enkele van deze faciliteiten (met name MATHUSLA, ANUBIS en SHiP) hebben recent aanzienlijke wijzigingen ondergaan:

• MATHUSLA: Het fiduciale volume is aanzienlijk verkleind (van 200x200x20m naar 40x40x11m).
• ANUBIS: De locatie is gewijzigd van een serviceschacht naar het plafond van de ATLAS-grot, wat de achtergronden en de acceptatie drastisch beïnvloedt.
• SHiP: De operationele duur is verlengd van 5 naar 15 jaar.

Er was een dringende behoefte aan een herbeoordeling van de gevoeligheid van deze experimenten voor HNL's, rekening houdend met deze nieuwe ontwerpen en achtergrondschattingen.

2. Methodologie

De auteurs hebben de volgende methodologische stappen ondernomen om de gevoeligheid opnieuw te berekenen:

• Model: Ze gebruiken een minimaal scenario met één HNL ($N$) die uitsluitend mengt met het elektron-neutrino ($\nu_e$). Het HNL wordt verondersteld een Majorana-fermion te zijn. De productie vindt plaats via zeldzame vervalprocessen van charm- ($D$) en bottom- ($B$) mesonen.
• Simulatie-tool: De auteurs hebben de nieuwste experimentele ontwerpen geïmplementeerd in de publieke tool Displaced Decay Counter (DDC). Deze tool berekent detectoracceptaties en signaalevent-yields.
• Geometrische Updates:
  • MATHUSLA: Vergelijking tussen de oorspronkelijke "MATHUSLA100" en de nieuwe, kleinere "MATHUSLA40".
  • ANUBIS: Vergelijking tussen de oude "ANUBIS-shaft" en de nieuwe "ANUBIS-ceiling". De nieuwe locatie (dichter bij het interactiepunt) verbetert de acceptatie maar verhoogt ook de achtergronden.
  • SHiP: Implementatie van de HSDS-geometrie met een operationele duur van 15 jaar (6 $\times$ 10$^{20}$ protons op doel).
• Achtergronden: Voor de meeste experimenten wordt een verwaarloosbare achtergrond aangenomen. Voor ANUBIS (zowel schacht als plafond) worden echter realistische achtergrondschattingen gebruikt (gebaseerd op Ref. [34]), wat leidt tot een signaalvereiste van ~28 en ~17 events voor een 95% betrouwbaarheidsniveau, in plaats van de gebruikelijke 3 events voor achtergronddoze experimenten.
• Berekening: Het aantal signaalevents wordt berekend door de productie van mesonen te combineren met de vervalbreedtes naar HNL's, de geometrische acceptatie ($\epsilon$) en de zichtbare vervalbreedte van het HNL.

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Actuele Gegevens: De eerste studie die de laatste ontwerplijsten (Letter of Intent en Conceptual Design Reports) van MATHUSLA, ANUBIS en SHiP integreert in de gevoeligheidsberekeningen.
2. Realistische Achtergronden: Voor het eerst wordt de gevoeligheid van ANUBIS berekend met de bijgewerkte, niet-verwaarloosbare achtergronden, in plaats van een optimistische "nul-achtergrond" aanname.
3. Operationaliteit: Inclusie van de verlengde operationele periode van SHiP (15 jaar), wat een significante impact heeft op de statistische kracht.
4. Vergelijkend Onderzoek: Een directe vergelijking van de prestaties van alle relevante LHC-verre detectoren en SHiP voor het specifieke HNL-scenario.

4. Resultaten

De resultaten worden weergegeven in het $(m_N, |V_{eN}|^2)$ vlak (massa van het HNL versus de mengingsparameter).

• Algemene Trend: De meeste experimenten kunnen grote parametergebieden verkennen die nog niet door bestaande experimenten zijn uitgesloten.
• MATHUSLA: De verkleining van het volume (MATHUSLA40) verzwakt de gevoeligheid voor de mengingsparameter $|V_{eN}|^2$ met een factor van ongeveer 5 ten opzichte van het oorspronkelijke MATHUSLA100-ontwerp. MATHUSLA40 is vergelijkbaar met ANUBIS-shaft, behalve bij hoge massa's.
• ANUBIS:
  • ANUBIS-ceiling (nieuw ontwerp) presteert beter dan ANUBIS-shaft (oud ontwerp) met een factor van ongeveer 2 in het bereiken van kleinere mengingswaarden. Dit komt door de kortere afstand tot het interactiepunt (ATLAS), wat de acceptatie verhoogt, ondanks de hogere achtergronden.
• SHiP: Het nieuwe plan (15 jaar operationeel) verbetert de gevoeligheid met een factor van ongeveer 2 ten opzichte van het oude plan (5 jaar), voornamelijk door de toegenomen hoeveelheid protonen op doel (POTs).
• Massa-afhankelijkheid:
  • Voor lichte HNL's ($m_N \lesssim m_D$) domineert SHiP de gevoeligheid.
  • In het intermediaire massabereik ($3.8 \text{ GeV} \lesssim m_N \lesssim 5.2 \text{ GeV}$) en net onder de charm-drempel, domineert SHiP.
  • In het intermediaire massabereik (tussen charm en bottom drempels) biedt MATHUSLA100 de sterkste bereik, hoewel MATHUSLA40 hier minder effectief is.
• FASER: Kan vanwege het kleine volume en de beperkte dataset (150 fb$^{-1}$) geen onuitgesloten parametergebied testen.

5. Betekenis en Conclusie

Deze studie is cruciaal voor de LLP-gemeenschap omdat het een actueel referentiepunt biedt voor de verwachte prestaties van toekomstige experimenten. De bevindingen tonen aan dat:

• De verkleining van MATHUSLA een aanzienlijke impact heeft, maar het experiment blijft competitief in specifieke massabereiken.
• De verplaatsing van ANUBIS naar het plafond een strategische verbetering is die de gevoeligheid verhoogt, ondanks de complexere achtergronden.
• SHiP met zijn verlengde operationele tijd een van de meest krachtige instrumenten blijft, vooral voor lichte HNL's en in specifieke massavensters.

De auteurs benadrukken dat hun methologie eenvoudig kan worden toegepast op niet-minimale HNL-scenario's of andere LLP-modellen, waardoor deze resultaten een brede toepasbaarheid hebben voor het beoordelen van de potentie van de nieuwste detectorontwerpen voor BSM-fysica.