Search for Neutrino-Produced Long-Lived Particles Using the SBND Cosmic Ray Tagger Beam Telescope

Technische Samenvatting: Zoektocht naar door neutrino's geproduceerde langlevende deeltjes met behulp van de SBND Cosmic Ray Tagger Beam Telescope

Probleem en Motivatie
De Short-Baseline Near Detector (SBND) bij Fermilab is primair ontworpen voor het zoeken naar sterile neutrino-oscillaties. Echter, de nabijheid van de Booster Neutrino Beam (BNB) en de intense neutrinoflux maken het ook een geschikte omgeving voor het zoeken naar fysica buiten het Standaardmodel (BSM), specifiek naar langlevende deeltjes (Long-Lived Particles, LLP's). Terwijl conventionele zoektochten bij versnellingsdeeltjes-neutrino-experimenten zich richten op LLP's die worden geproduceerd via meson-verval, bieden intense neutrino-bundels een complementair productiemechanisme: neutrino–nucleus upscattering in het omliggende materiaal. Dit artikel presenteert de eerste zoektocht naar BSM-fysica met behulp van SBND-data, specifiek gericht op LLP's die via neutrino upscattering worden geproduceerd en vervallen in zichtbare eindtoestanden (elektron–positron paren) op macroscopische afstanden.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van data verzameld door een standalone configuratie van het SBND Cosmic Ray Tagger (CRT) systeem, de zogenaamde "CRT Beam Telescope". Dit systeem opereerde tussen 2017 en 2018, vooraf aan de installatie van de hoofd SBND liquid argon time projection chamber (LArTPC). De dataset komt overeen met $2.95 \times 10^{20}$ protonen op doel (POT) van de BNB.

• Detectorconfiguratie: De CRT Beam Telescope bestaat uit twee panelen van plastic scintillatiemodules die 9,26 meter langs de bundelrichting van elkaar gescheiden zijn. Het upstream paneel (18 modules) en het downstream paneel (6 modules) bieden een tijdsresolutie van $\sim 1,5$ ns en ruimtelijke reconstructievermogens.
• Signaalmodel: De zoektocht richt zich op een "donker neutrino" scenario waarbij een Standaardmodel neutrino een atoomkern in het materiaal stroomopwaarts van de detector upscatters om een zware neutrale fermion ($N$) te produceren. Deze LLP plant zich voort over een macroscopische afstand voordat deze vervalt in een elektron–positron paar en een neutrino ($N \to e^+e^-\nu$). De analyse parametriseert de zoektocht door de effectieve productie-doorsnede $\sigma(\nu A \to NX) \times \text{Br}(N \to e^+e^- + E_{\text{miss}})$ en de LLP verval-lengte ($c\tau$), in plaats van een enkele specifieke model.
• Event Selectie: De signaaltopologie vereist geen activiteit in het upstream paneel (Upstream Veto) om neutrino-geïnduceerde achtergronden te verwerpen, gevolgd door de detectie van twee hits in het downstream paneel (Two-Hit Requirement) met een minimale scheiding van 22 cm. Deze selectie richt zich op het verval van de LLP in het volume tussen de twee panelen.
• Achtergrondkarakterisering: De dominante achtergronden zijn neutrino-interacties in de omliggende grond/gebouwmaterialen en kosmogene activiteit.
  • Neutrino-geïnduceerde achtergrond: Gemodelleerd met GENIE en GEOT4 simulaties, geschaald naar de dataset.
  • Kosmogene achtergrond: Direct geschat uit data met behulp van een pre-spill tijdvenster (1,6 $\mu$s vóór de beam spill), dat vrij is van beam-geïnduceerde interacties.
• Discriminatie: Een Boosted Decision Tree (BDT) is getraind op vier variabelen: de 3D-afstand tussen de hits, horizontale scheiding, tijdsverschil en de gemiddelde gedeponeerde energie. De BDT onderscheidt signaal-achtige events van de resterende achtergrond.

Belangrijkste Bijdragen

• Eerste SBND BSM Zoektocht: Dit werk vormt de eerste zoektocht naar Physics Beyond the Standard Model uitgevoerd met SBND-data.
• Gebruik van Standalone Detector: Het demonstreert de haalbaarheid van het gebruiken van een detector-subsysteem (de CRT) als een standalone instrument voor LLP-zoektochten, waarbij gebruik wordt gemaakt van de timing en ruimtelijke resolutie ondanks het oorspronkelijke ontwerp voor het taggen van kosmische straling.
• Nieuw Productiekanaal: De analyse richt zich specifiek op het kanaal waarbij LLP's via neutrino upscattering in extern materiaal worden geproduceerd, een kanaal dat verschilt van de conventionele meson-decay productiemechanismen die door andere experimenten worden onderzocht.
• Data-gedreven Achtergrondschatting: De kosmogene achtergrond wordt volledig bepaald uit data, waardoor het vertrouwen op externe simulaties voor dit onderdeel wordt vermeden.

Resultaten
De analyse observeerde 831 events in de data vergeleken met een verwachte achtergrond van $763,2 \pm 25\%$ (inclusief systematische onzekerheden). Er werd geen statistisch significant excess waargenomen; goodness-of-fit tests leverden p-waarden van 0,65, 0,86 en 0,71 op voor vervallengtes van respectievelijk 1 m, 3,1 m en 10 m.

Als gevolg hiervan heeft de samenwerking 90% betrouwbaarheidslimieten (CL) vastgesteld voor de effectieve productie-doorsnede voor LLP's die vervallen in $e^+e^-$ paren.

• Exclusielimieten: De limieten bereiken effectieve doorsneden van ongeveer $10^{-38} \text{ cm}^2$ (specifiek tot $\sim 5 \times 10^{-39} \text{ cm}^2$ op hun sterkst) voor laboratorium vervallengtes variërend van 0,3 m tot 100 m.
• Sensitiviteit: De sensitiviteit is maximaal voor vervallengtes op meterschaal ($c\tau \sim 1\text{--}10$ m), beperkt door de geometrische acceptatie van de 9,26 m grote verval-volume.
• Modelinterpretatie: De resultaten worden geïnterpreteerd in de context van donkere neutrino scenario's. Hoewel het minimale 3+1 scenario onder de sensitiviteit van deze zoektocht ligt voor de benchmark parameters, strekt een representatief 3+2 scenario met een specifieke massa-splitting zich uit naar de regio die door deze analyse wordt verkend.

Significantie en Claims
Het artikel beweert dat deze resultaten bestaande zoektochten complementeren door gedisplaceerde verval-signaturen te onderzoeken op meterschaal vervallengtes, een regio die niet eerder door andere experimenten is verkend voor door neutrino's geproduceerde LLP's. De auteurs benadrukken dat hoewel de exclusielimieten zwakker zijn dan die van model-specifieke zoektochten met volledige detectorcapaciteiten (zoals MicroBooNE), deze analyse een unieke complementaire aanpak biedt. Het demonstreert dat zinvolle sensitiviteit voor BSM-fysica kan worden bereikt met detector-subsystemen die oorspronkelijk niet ontworpen zijn voor dergelijke zoektochten, mits zij over voldoende timing en ruimtelijke resolutie beschikken. Dit werk legt een fundament voor toekomstige studies met de volledige SBND-detector, die deze uitsluitingen naar een breder scala aan vervallengtes en topologieën zou kunnen uitbreiden.