⚛️ hoog-energie-experimenten

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

Dit artikel presenteert een zoektocht naar langlevende zware neutrale leptonen in proton-protonbotsingen bij 13 en 13,6 TeV met behulp van een signatuur van één prompt muon en twee niet-prompt muons die een secundair vertex vormen, waarbij uitsluitingslimieten op het mengingsparameter voor HNL-massa's tussen 1 en 5 GeV op een betrouwbaarheidsniveau van 95% worden vastgesteld zonder dat er een overschot ten opzichte van de achtergrond wordt waargenomen.

Oorspronkelijke auteurs: CMS Collaboration

Gepubliceerd 2026-11-02

📖 4 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: CMS Collaboration

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Al decennia weten natuurkundigen dat het universum iets mist. Het Standaardmodel, de theorie die de fundamentele deeltjes en krachten beschrijft waaruit alles wat we zien is opgebouwd, werkt met een verbluffende precisie. Toch laat het een gapend gat achter: het kan niet verklaren waarom neutrino's, die spookachtige deeltjes die er elk seconde biljoenen door de aarde heen stromen, massa hebben. De ontdekking dat deze deeltjes van identiteit kunnen veranderen terwijl ze reizen, bewees dat ze niet gewichtloos zijn, maar het model biedt geen reden voor dit gewicht. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers het bestaan voorgesteld van een verborgen partner voor het neutrino, een zwaar, neutraal deeltje dat zelden met iets interageert. Als deze "zware neutrale leptonen" bestaan, zouden ze niet alleen de massa van de neutrino's kunnen verklaren, maar ook waarom het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie, en misschien zelfs wat donkere materie is. De uitdaging is dat deze deeltjes, als ze al bestaan, ongelooflijk ongrijpbaar zijn; ze vervallen in andere deeltjes lang nadat ze zijn gecreëerd, vaak ver weg van de plek waar ze zijn geboren.

Bij de Large Hadron Collider bij CERN heeft een onderzoeker die de CMS-detector gebruikt, een frisse blik geworpen op deze ongrijpbare deeltjes. De focus lag op een specifiek scenario waarin een zwaar neutraal lepton wordt gecreëerd samen met een standaard muon, een zwaardere neef van het elektron, tijdens hoogenergetische botsingen van protonen. De theorie suggereert dat het zware deeltje een aanzienlijke afstand zou afleggen voordat het vervalt in twee meer muonen. In tegen afstelling tot de prompt muon die onmiddellijk bij het botsingspunt verschijnt, zouden deze twee nieuwe muonen verschijnen vanuit een "secundaire vertex", een punt in de ruimte dat merkbaar verplaatst is van het centrum van de machine. De onderzoeker analyseerde een enorme hoeveelheid data, gelijk aan 138 eenheden botsingsdata opgenomen op een energie van 13 biljoen elektronvolt tussen 2016 en 2018, plus een aanvullende 34,6 eenheden opgenomen op een iets hogere energie van 13,6 biljoen elektronvolt in 2022. Hun strategie was om de interne detectiesystemen van de detector, die ontworig zijn om deeltjes te vangen die onmiddellijk verschijnen, te negeren en in plaats daarvan alleen naar de buitenste muonkamers te kijken. Dit stelde hen in staat om muonen te spotten die enkele meters hadden gereisd voordat ze werden gedetecteerd, een signatuur van een deeltje dat veel langer leefde dan de vluchtige deeltjes van het Standaardmodel.

De zoektocht was ontworpen om deze langlevende deeltjes op een zeer specifieke manier te vangen. De onderzoeker zocht naar gebeurtenissen die precies drie muonen bevatten: één die direct bij het botsingspunt verschijnt en twee die later, ver weg van het centrum, verschijnen en een duidelijk paar vormen. Ze filterden miljarden achtergrondgebeurtenissen weg, zoals die veroorzaakt door willekeurige ruis of veelvoorkomende deeltjesvervallen, door te eisen dat de twee verre muonen geen connectie hadden met de interne trackinglagen en een duidelijk gereconstrueerd oorsprongspunt vormden. Ze controleerden ook of de timing en energie van deze deeltjes overeenkwamen met wat een zwaar neutraal lepton zou produceren. Ondanks het zeven van deze enorme dataset met hoge precisie, vond de onderzoeker geen bewijs voor deze zware deeltjes. Het aantal geobserveerde gebeurtenissen kwam perfect overeen met de voorspellingen voor bekende achtergrondprocessen, zonder onverwachte excessen die op een nieuwe ontdekking zouden wijzen.

Omdat ze geen signaal vonden, was de onderzoeker in staat om strikte grenzen te stellen aan waar deze zware neutrale leptonen konden bestaan. Ze berekenden dat als deze deeltjes een massa hebben tussen 1 en 5 miljard elektronvolt, hun interactie met gewone neutrino's extreem zwak moet zijn, veel zwakker dan voorheen mogelijk werd geacht in bepaalde bereiken. Specifiek sloten ze het bestaan van deze deeltjes uit voor een breed scala aan massa's en mengsterktes, met name in de regio waar de deeltjes lang genoeg zouden leven om de meters te reizen die nodig zijn om de buitenste detectoren te bereiken. Dit resultaat is significant omdat het de deur sluit voor een specifieve reeks mogelijkheden die eerdere experimenten niet hadden kunnen verkennen. Door te zoeken naar deeltjes die ver van het botsingspunt vervallen, breidde deze studie de reikwijdte van de zoektocht uit naar een gebied van lange levensduur dat moeilijk toegankelijk was. De bevindingen bewijzen niet dat zware neutrale leptonen helemaal niet bestaan, maar ze bevestigen dat als ze bestaan, ze zich niet in het specifieke massa- en levensduurbereik bevinden waar dit experiment voor ontworpen was. De zoektocht gaat door, maar dit hoofdstuk van het verhaal is geschreven met een duidelijk, negatief resultaat dat helpt bij de volgende stappen in de zoektocht naar de verborgen massa van het universum.

Technische Samenvatting: Zoektocht naar langlevende zware neutrale leptonen in signature met één prompt muon en een secundaire vertex gevormd door twee niet-prompt muons

Probleem en Motivatie
De ontdekking van neutrino-oscillaties bevestigt dat neutrinos een niet-nul massa hebben, wat wijst op fysica buiten het Standaardmodel (SM). Zware neutrale leptonen (HNL's), geïntroduceerd als massieve rechtshandige tegenhangers van SM-neutrinos, bieden een theoretisch kader om deze massa's te verklaren via het seesaw-mechanisme en kunnen potentieel kosmologische puzzels zoals donkere materie en de materie-antimaterie-asymmetrie adresseren. Hoewel HNL's singlets zijn onder de SM-gaugegroep, kunnen ze worden geproduceerd in proton-proton (pp) botsingen via menging met SM-neutrinos.

Deze analyse richt zich op HNL's die worden geproduceerd in het verval van W-bosonen ( $W \to \ell N$ ), gevolgd door het verval van de HNL in twee geladen leptonen en een neutrino ( $N \to \ell' \ell'' \nu$ ). De specifieke focus ligt op de "langlevende" regio van de HNL-parameterruimte, wat overeenkomt met lage massa's ( $m_N \lesssim 5$ GeV) en kleine mengingsparameters ( $|V_{N\mu}|^2 \sim 10^{-6}–10^{-5}$ ). In dit regime leggen HNL's macroscopische afstanden af voordat ze vervallen, vaak buiten de interne silicon tracker. Traditionele tracker-gebaseerde zoektochten hebben een beperkte acceptatie voor transversale vervalafstanden ( $L_{xy}$ ) groter dan $\sim 1$ m. Deze analyse beoogt de gevoeligheid uit te breiden naar vervalafstanden van ongeveer 50–400 cm door muons te reconstrueren met enkel het externe CMS-muonsysteem.

Methodologie

Datasets: De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsdata verzameld door het CMS-experiment bij de LHC. Dit omvat een geïntegreerde luminositeit van 138 fb $^{-1}$ geregistreerd bij $\sqrt{s} = 13$ TeV (2016–2018) en, voor het eerst in een HNL-zoektocht bij de LHC, 34,6 fb $^{-1}$ geregistreerd bij $\sqrt{s} = 13,6$ TeV (2022).
Signaalmodel: Signaalgebeurtenissen worden gesimuleerd met MADGRAPH5_aMC@NLO op leading order, met parton showering via PYTHIA. De simulatie gaat uit van een Majorana HNL die uitsluitend koppelt aan de muon-neutrino-smaak ( $|V_{Ne}|=|V_{N\tau}|=0$ ). Monsters worden gegenereerd voor $m_N$ in het bereik van 1–6 GeV. Om rekening te houden met de afhankelijkheid van de HNL-levensduur van massa en mengsterkte, wordt per-event reweighting toegepast om de juiste eigelijke levensduurverdeling te matchen voor specifieke doelmengingsparameters.
Gebeurtenisreconstructie en Selectie:
- Trigger: Gebeurtenissen worden geselecteerd via single-muon triggers die een geïsoleerde muon vereisen met $p_T > 27$ (24) GeV.
- Prompt Muon ( $\mu_0$ ): Precies één prompt muon is vereist, die voldoet aan strikte identificatie- en isolatiecriteria ( $I_{rel} < 0,15$ ) en afkomstig is van de primaire vertex (PV).
- Displaced Muons ( $\mu_1, \mu_2$ ): De kern van de analyse berust op "displaced standalone" (DSA) muons. Dit zijn muons die uitsluitend gereconstrueerd zijn met behulp van hits in het muonsysteem (drift tubes, cathode strip chambers, resistive plate chambers) zonder dat er een match vereist is met tracks in de interne silicon tracker. Deze techniek maakt reconstructie van muons mogelijk die vervallen in de buitenste lagen van de tracker of daarbuiten.
- Secundaire Vertex: De twee DSA-muons moeten een convergerende secundaire vertex vormen met een fit $p$ -waarde $> 0,001$ . Cruciaal is dat deze muons niet overeenkomen met een track in het trackersysteem, wat zorgt voor orthogonaliteit ten opzichte van eerdere tracker-gebaseerde zoektochten en de prompt achtergronden onderdrukt.
- Kinematische Snijvlakken: Selectiecriteria maken gebruik van de signaaltopologie, inclusclusief de grote boost van de HNL. Eisen zijn onder meer:
  - Dimuon transversale momentum $p_T^{pair} > 10$ GeV.
  - Angular scheiding $\Delta R(\mu_1, \mu_2) < 1,0$ en $\cos \theta(\mu_1, \mu_2) > 0,9$ .
  - Invariantie massa van de drie muons $40 < m(\mu_0, \mu_1, \mu_2) < 90$ GeV.
  - Azimutale scheiding $\Delta \phi(\mu_0, \mu_{1/2}) > 1,5$ .
  - Veto op b-getagde jets en Z-boson kandidaten ( $m(\mu_0, \mu') < 80$ GeV).
Signaalregio's (SR): De SR is verdeeld in vier bins op basis van twee discriminerende variabelen: de dimuon transversale momentum ( $p_T^{pair}$ ) en de significantie van de secundaire vertex-verplaatsing ( $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}}$ ). De optimale binning drempelwaarden zijn $p_T^{pair} > 22$ GeV en $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}} > 4$ .
Achtergrondschatting: De dominante achtergronden ontstaan door misgereconstrueerde prompt of licht verplaatste muonparen (bijv. uit pileup $J/\psi$ vervallen of semileptische b-hadron vervallen). Omdat Monte Carlo-simulaties de instrumentele inefficiënties die dergelijke misreconstructie veroorzaken niet betrouwbaar kunnen modelleren, wordt een data-gedreven "ABCD-methode" toegepast. Twee statistisch onafhankelijke condities definiëren vier regio's: een tracker-veto op $\mu_1$ en een gereduceerde signalselectie. De achtergrondopbrengst in de SR (Regio A) wordt geschat als $n_A = n_B \times (n_C / n_D)$ , waarbij $n_B, n_C, n_D$ opbrengsten zijn uit controlegroepen. Validatieregio's (VR's) bevestigen de robuustheid van de methode; waargenomen non-closure in lage- $p_T$ sidebands wordt toegeschreven aan fotonconversies, een bijdrage die als verwaarloosbaar wordt beschouwd in de hoge- $p_T$ SR.

Belangrijkste Bijdragen

Uitgebreide vervalafstandgevoeligheid: Door DSA-muons te gebruiken die uitsluitend gereconstrueerd zijn in het muonsysteem, breidt deze analyse de zoekbereik voor HNL's met transversale vervalafstanden tot $\sim 400$ cm aanzienlijk uit, een regime dat ontoegankelijk is voor standaard tracker-gebaseerde analyses.
Eerste gebruik van 13,6 TeV data: Dit is de eerste HNL-zoektocht bij de LHC die gebruikmaakt van de 2022 run bij $\sqrt{s} = 13,6$ TeV.
Orthogonaliteit aan eerdere zoektochten: De vereiste dat verplaatste muons geen geassocieerde trackerinformatie hebben, maakt deze zoektocht complementair aan de CMS-zoektocht gerapporteerd in Ref. [40], die vertrouwde op verplaatste tracks binnen de silicon tracker.
Omvattende achtergrondcontrole: De toepassing van de ABCD-methode met strikte validatie in lage- $p_T$ en geïnverteerde tracker-veto regio's biedt een robuuste schatting van de residuele SM-achtergrond.

Resultaten
Er is geen significante overmaat aan gebeurtenissen boven de voorspelde achtergrond waargenomen in enige van de vier signaalbins voor zowel de 13 TeV als de 13,6 TeV datasets. De waargenomen opbrengsten zijn consistent met de achtergrond-alleen hypothese binnen statistische en systematische onzekerheden.

Onder de aanname van de Majorana HNL-hypothese zijn 95% betrouwbaarheidslimieten (CL) vastgesteld op de mengingsparameter $|V_{N\mu}|^2$ als functie van de HNL-massa $m_N$ in het bereik 1–5 GeV.

De analyse sluit mengingsparameters uit in het bereik van $10^{-6}$ tot $10^{-5}$ voor massa's tussen 2 en 4 GeV.
De gevoeligheid neemt af voor $m_N \gtrsim 4,5$ GeV vanwege de snelle afname van de HNL-levensduur (geschaald als $m_N^{-5}$ ), waardoor zwaardere HNL's vervallen voordat ze het gevoelige vervalvolume bereiken.
Vergeleken met eerdere CMS-analyses gericht op vergelijkbare massabereiken (inclusief prompt, verplaatste tracker, en B-meson verval zoektochten), verbetert deze analyse de verwachte gevoeligheid voor massa's tussen 2,5 en 4,2 GeV, specif으로 door de langlevende, lage-mixing regio te verkennen.

Significantie
Het artikel stelt dat deze analyse de vorige experimentele resultaten in gevoeligheid voor HNL's met massa's tussen 2,5 en 4,2 GeV overtreft. Door zich te richten op sterk verplaatste vertices die uitsluitend in het muonsysteem worden gereconstrueerd, verkent de zoektocht een specifiek gebied van de HNL-parameterruimte (lage massa, kleine menging, lange levensduur) dat voorheen minder geconstraint was. Het resultaat van nul (null result) verstrakt de beperkingen op het bestaan van Majorana HNL's in dit massabereik, en sluit specifieke mengingsscenario's uit die de generatie van neutrino-massa of donkere materie konden verklaren binnen dit kinematische venster. De succesvolle integratie van 13,6 TeV data demonstreert het vermogen van het CMS-experiment om hogere-energie datasets te benutten voor zeldzame proceszoektochten.

Meer zoals dit