Search for heavy neutral leptons in decays of W bosons produced in 13 TeV pp collisions using prompt signatures in the ATLAS detector

Resumo Técnico: Busca por Léptons Neutros Pesados em Decaimentos de Bósons $W$ usando Assinaturas Prompt no Detector ATLAS

Problema e Motivação
A descoberta de oscilações de sabor de neutrinos confirma que os neutrinos possuem massa, um fenômeno não explicado pelo Modelo Padrão (SM). Esta observação sugere a existência de neutrinos de Majorana à direita, pesados, frequentemente referidos como Léptons Neutros Pesados (HNLs), que poderiam surgir do mecanismo Seesaw de Tipo-1. Os HNLs são teoricamente motivados como potenciais explicações para a pequenez das massas de neutrinos, a assimetria bariônica do universo via leptogênese e como candidatos à matéria escura. Embora buscas anteriores tenham restringido HNLs em vários intervalos de massa, incluindo assinaturas de partículas de vida longa, este artigo aborda a busca por decaimentos prompt de HNLs produzidos em decaimentos de bósons $W$ usando o conjunto completo de dados da Run 2 do Grande Colisor de Hádrons (LHC).

Metodologia
A análise utiliza $140 \text{ fb}^{-1}$ de dados de colisões próton-próton a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13 \text{ TeV}$ coletados pelo detector ATLAS. A busca visa a produção de um único HNL ($N$) via mistura com neutrinos do SM no decaimento de um bósons $W$ on-shell ($W \to \ell^\pm N$), seguido pelo decaimento prompt do HNL em um lépton carregado e um neutrino ($N \to \ell^\mp \nu$). Devido à natureza de Majorana do HNL, este processo resulta em um estado final com três léptons carregados e um neutrino, onde dois léptons compartilham o mesmo sabor e carga elétrica (Mesmo-Sabor Mesma-Carga, SFSC), e o terceiro lépton possui um sabor diferente e carga oposta.

• Seleção de Eventos: A análise define regiões de sinal (SRs) exigindo ou três léptons prompt de sinal ou dois léptons de sinal mais um lépton de base. Para suprimir os processos dominantes do SM (como produções de $WZ$, $ZZ$e$VVV$), eventos com três léptons de mesmo sabor são vetados, e requisitos cinemáticos são aplicados a variáveis incluindo massa transversa ($m_T$), massa efetiva ($m_{\text{eff}}$) e a massa invariante do par de léptons SFSC ($m_{\ell\ell}^{\text{SC}}$). Um veto de $b$-jet é aplicado para reduzir os backgrounds de quarks top.
• Estimativa de Background: Os backgrounds são categorizados em três grupos:
  1. Processos SM prompt: Estimados usando simulações de Monte Carlo (MC) normalizadas às seções de choque teóricas (dominados por $WZ$).
  2. Inversão de carga de elétrons (charge-flip): Estimados usando métodos baseados em dados para a probabilidade de erro de identificação de carga de elétrons, embora considerados negligenciáveis nas regiões de sinal.
  3. Léptons falsos e não-prompt: Estimados usando o método de matriz baseado em dados, que aproveita as diferentes eficiências de critérios de identificação de léptons frouxos (loose) e estritos (tight). Esta categoria é a fonte dominante de background.
• Incertezas Sistemáticas: As incertezas incluem luminosidade integrada (0,83%), eficiências de identificação e reconstrução de léptons, escala e resolução de energia de jato, e incertezas de modelagem para processos de sinal e background. As incertezas dominantes derivam dos erros estatísticos e sistemáticos na estimação do background de léptons falsos/não-prompt.

Principais Contribuições

• Intervalo de Massa Estendido: Esta análise cobre um intervalo de massa de lépton neutro pesado de $8$–$65 \text{ GeV}$, estendendo-se além das buscas anteriores de decaimento prompt do ATLAS realizadas em conjuntos parciais de dados da Run 2.
• Regiões de Sinal Abrangentes: O estudo define e otimiza múltiplas regiões de sinal tanto para estados finais $e^\pm e^\pm \mu^\mp$ e $\mu^\pm \mu^\pm e^\mp$, bem como regiões de sinal de dois léptons para recuperar eventos onde o terceiro lépton falha nos critérios estritos de sinal, mas passa nos requisitos de base.
• Validação Robusta de Background: Os métodos de estimativa de background são validados em regiões de controle e regiões de validação (VRs) definidas com cortes cinemáticos relaxados, mostrando bom acordo entre os dados observados e os backgrounds previstos do SM dentro de $2\sigma$.

Resultos
Não foi observado nenhum excesso significativo de eventos sobre o background esperado do Modelo Padrão. Os rendimentos de eventos observados em todas as regiões de sinal são consistentes com as previsões de background, sendo a maior desviação local de $1,7$ desvios padrão na região de sinal SRE3.

Consequentemente, a análise estabelece limites de exclusão dependentes de modelo nos parâmetros de mistura $|U_e|^2$ e $|U_\mu|^2$ como uma função da massa do HNL ($m_{\text{HNV}}$):

• Intervalo de Massa Total ($8$–$65 \text{ GeV}$): A análise exclui valores de $|U_e|^2$ acima de $8 \times 10^{-5}$ e valores de $|U_\mu|^2$ acima de $5,0 \times 10^{-5}$.
• Restrições Mais Fortes: Os limites mais rigorosos são alcançados no intervalo de massa de $15$–$30 \text{ GeV}$, excluindo $|U_e|^2 < 1,1 \times 10^{-5}$ e $|U_\mu|^2 < 5 \times 10^{-6}$.
• Intervalos Mais Largos: Limites superiores de $1,8 \times 10^{-5}$ e $7,0 \times 10^{-6}$ são estabelecidos para $|U_e|^2$ e $|U_\mu|^2$ respectivamente sobre intervalos de massa mais amplos ($15$–$50 \text{ GeV}$e$15$–$40 \text{ GeV}$).

Significância
O artigo afirma que estes resultados superam as buscas anteriores do ATLAS baseadas em dados parciais da Run 2 e complementam as buscas existentes para HNLs de vida longa e outros mecanismos de produção de HNL (como fusão de bósons vetoriais). Ao focar em assinaturas prompt no intervalo de massa de $8$–$65 \text{ GeV}$, este trabalho fornece as restrições mais rigorosas até o momento sobre a mistura de léptons neutros pesados com neutrinos eletrônicos e muônicos neste regime cinemático específico, sondando efetivamente o espaço de parâmetros onde os HNLs poderiam explicar a origem da massa de neutrinos e a assimetria matéria-antimatéria.