Forward Searches for Heavy Neutrinos and $Z'$ Bosons at FCC-hh

Resumo Técnico: Buscas Direcionais para Neutrinos Pesados e Bósons $Z'$ no FCC-hh

Problema e Motivação
A observação de massas de neutrinos não nulas exige física além do Modelo Padrão (BSM). O mecanismo seesaw tipo-I, que introduz léptons neutros pesados (HNLs) ou neutrinos de mão direita (RHNs), é um quadro teórico primordial para explicar essas massas. Uma realização bem motivada deste mecanismo envolve a extensão da simetria de gauge do Modelo Padrão com um grupo quiral $U(1)$ adicional e livre de anomalias. Tais extensões preveem um novo bóson de gauge neutro ($Z'$) e RHNs. Embora estas partículas sejam frequentemente de vida longa e fracamente interagentes, tornando-as difíceis de detectar em detectores de colididores convencionais, elas podem ser produzidas em altos fluxos na região frontal (far-forward) de colisões próton-próton de alta energia. A proposta da Forward Physics Facility (FPF) no Future Circular Collider de 100 TeV (FCC-hh) oferece um ambiente único para buscar estas partículas fracamente interagentes (FIPs) e partículas de vida longa (LLPs). Este artigo investiga o potencial de descoberta do FPF para neutrinos pesados e bósons $Z'$ dentro de uma ampla classe de extensões $U(1)$ quirais livres de anomalias.

Metodologia
Os autores analisam a produção e o decaimento de neutrinos pesados e bósons $Z'$ no FCC-hh ($\sqrt{s} = 100$ TeV) com uma luminosidade integrada de 30 ab$^{-1}$. O estudo foca em duas configurações de detector propostas para o FPF, localizadas 1,5 km a jusante do ponto de interação (IP):

• FPF1: Um volume de decaimento de 5 m $\times$ 5 m $\times$ 50 m.
• FPF2: Um volume de decaimento maior de 20 m $\times$ 20 m $\times$ 400 m.

A análise considera duas classes de modelos $U(1)$ livres de anomalias:

1. Caso-I (Minimal): Três gerações de RHNs singletos do SM com cargas $U(1)$ universais e um escalar singlete do SM. Isto inclui realizações específicas como $U(1)_{B-L}$, $U(1)_R$ e outras definidas por atribuições de carga específicas.
2. Caso-II (Alternativo): Um setor escalar estendido com cargas de RHN não universais, realizando um modelo de dois dubletos de Higgs neutrinofílico (2HDM) onde apenas dois RHNs participam do mecanismo seesaw, enquanto o terceiro serve como candidato à matéria escura.

O estudo avalia quatro cenários complementares de produção e decaimento:

1. HNLs de decaimento de mésons: Neutrinos pesados produzidos diretamente dos decaimentos de mésons pseudoscalares ($B, D, K, \pi$) via mistura ativo-estéril ($V_{\ell N}$).
2. $Z'$ de vida longa (Visível): Bósons $Z'$ produzidos via decaimentos de mésons e bremsstrahlung de prótons que decaem visivelmente dentro do detector, assumindo que o canal $Z' \to NN$ é cinematicamente proibido ($M_N > M_{Z'}/2$).
3. $Z'$ de vida longa (Escape de HNL): Bósons $Z'$ de vida longa que decaem em pares de neutrinos pesados ($Z' \to NN$) onde os neutrinos pesados são suficientemente de vida longa para escapar do detector, deixando apenas os produtos de decaimento visíveis do $Z'$.
4. $Z'$ Prompt (HNL visível): Bósons $Z'$ que decaem prontamente produzindo pares de neutrinos pesados de vida longa que subsequentemente decaem visivelmente dentro do volume do detector.

As taxas de eventos são calculadas usando o pacote FORESEE para análise de eventos e DarkCast para razões de branching, incorporando geometria de detector realista, probabilidades de decaimento e um limiar de energia visível de $E_{vis} \ge 100$ GeV. A análise assume um ambiente livre de fundo com 100% de eficiência de detecção para decaimentos visíveis.

Contribuições Principais e Resultados
O artigo deriva projeções de sensibilidade para a massa do neutrino pesado ($M_N$) e a mistura ativo-estéril ($|V_{\ell N}|^2$), bem como a massa do $Z'$ ($M_{Z'}$) e o acoplamento de gauge ($g_X$).

• Neutrinos Pesados de Decaimentos de Mésons:

  • O FPF1 é projetado para sondar $|V_{\ell N}|^2$ na faixa de $10^{-9}$ a $10^{-5}$ para $M_N \sim 0,5\text{--}6$ GeV. Esta sensibilidade é comparável ao alcance projetado do experimento SHiP, mas supera significativamente o SHiP para $M_N \gtrsim 2,5$ GeV devido à produção aumentada de mésons $B$ no FCC-hh.
  • O FPF2, com seu volume maior, estende o espaço de parâmetros acessível ainda mais, ultrapassando limites atuais e projeções futuras para $0,5 \text{ GeV} \lesssim M_N \lesssim 6 \text{ GeV}$ (e descendo até 0,04 GeV para o sabor de múon).

• Cenários Mediados por $Z'$:

  • $Z'$ de vida longa (Visível): Para massas de $Z'$ na faixa de $0,1 \text{ GeV} \lesssim M_{Z'} \lesssim 1,5$ GeV, o FPF pode sondar acoplamentos de gauge tão pequenos quanto $g_X \sim 10^{-9}$ a $5 \times 10^{-8}$. O FPF2 melhora o alcance em aproximadamente uma ordem de magnitude em relação ao FPF1.
  • $Z'$ de vida longa (Escape de HNL): Quando o $Z'$ decai em neutrinos pesados, a fração de branching visível é reduzida. O cenário "alternativo" (Caso-II) geralmente mostra regiões de exclusão mais amplas devido às cargas $U(1)$ maiores para os RHNs, que aumentam a razão de branching $Z' \to NN$ e suprimem decaimentos visíveis.
  • $Z'$ Prompt (HNL visível): Este cenário permite sondar ângulos de mistura pequenos ($|V_{\ell N}|^2 \sim 10^{-9}$) para $M_N \sim 0,25$ GeV. A sensibilidade depende dos valores de referência fixos de $g_X$ e $M_{Z'}$.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que o FPF no FCC-hh oferece uma sonda poderosa e complementar para modelos de massa de neutrino e setores de gauge ocultos. A capacidade da instalação de detectar neutrinos pesados leves e de vida longa e bósons $Z'$ leves estende o alcance de descoberta significativamente além de experimentos existentes ou propostos (como SHiP, FASER e experimentos de beam-dump).

Especificamente, o artigo afirma que:

1. O enorme fluxo de partículas frontais e a produção aumentada de sabor pesado no FCC-hh, combinados com o grande volume de decaimento fiducial do FPF (especialmente o FPF2), fornecem sensibilidade muito além dos limites atuais sobre amplas regiões do espaço de parâmetros do modelo.
2. A estrutura quiral de modelos $U(1)_X$ gerais desempenha um papel crucial na determinação das larguras de decaimento e razões de branching, levando a sensibilidades dependentes do modelo que o FPF é bem adequado para explorar.
3. A combinação de diferentes mecanismos de produção (decaimentos de mésons, bremsstrahlung) e topologias de decaimento (decaimento prompt vs. de vida longa do $Z'$, decaimentos visíveis vs. invisíveis) permite uma exploração abrangente do espaço de parâmetros $U(1)$, incluindo o acoplamento de gauge, a massa do $Z'$, a massa do neutrino pesado e os ângulos de mistura.

O trabalho conclui que o FPF constitui uma instalação única para testar a origem das massas de neutrinos e buscar setores de gauge ocultos através de assinaturas de partículas de vida longa.