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

Resumo Técnico: Busca por Partículas de Vida Longa Produzidas por Neutrinos Utilizando o Telescópio de Feixe do Cosmic Ray Tagger do SBND

Problema e Motivação
O Short-Baseline Near Detector (SBND) no Fermilab foi projetado primordialmente para buscar oscilações de neutrinos estéreis. No entanto, sua proximidade com o Booster Neutrino Beam (BNB) e o intenso fluxo de neutrinos também o tornam um ambiente adequado para a busca de física além do Modelo Padrão (BSM), especificamente para Partículas de Vida Longa (LLPs). Enquanto buscas convencionais em experimentos de neutrinos de aceleradores focam em LLPs produzidas via decaimentos de mésons, intensos feixes de neutrinos oferecem um mecanismo de produção complementar: o upscattering (espalhamento ascendente) de neutrino–núcleo no material circundante. Este artigo apresenta a primeira busca por física BSM utilizando dados do experimento SBND, visando especificamente LLPs produzidas via upscattering de neutrino que decaem em estados finais visíveis (pares elétron–pósitron) em distâncias macroscópicas.

Metodologia
A análise utiliza dados coletados por uma configuração independente do sistema de Cosmic Ray Tagger (CRT) do SBND, denominada "CRT Beam Telescope". Este sistema operou entre ー 2017 e 2018, antes da instalação da câmara de projeção temporal de argônio líquido (LArTPC) principal do SBND. O conjunto de dados corresponde a $2,95 \times 10^{20}$ prótons no alvo (POT) do BNB.

• Configuração do Detector: O CRT Beam Telescope consiste em dois painéis de módulos de cintilador plástico separados por 9,26 metros ao longo da direção do feixe. O painel upstream (18 módulos) e o painel downstream (6 módulos) fornecem resolução temporal de $\sim 1,5$ ns e capacidades de reconstrução espacial.
• Modelo de Sinal: A busca visa um cenário de "neutrino escuro" onde um neutrino do Modelo Padrão sofre upscattering em um núcleo no material a montante (upstream) do detector para produzir um férmion neutro pesado ($N$). Esta LLP propaga-se uma distância macroscópica antes de decair em um par elétron–pósitron e um neutrino ($N \to e^+e^-\nu$). A análise parametriza a busca pela seção de choque efetiva de produção $\sigma(\nu A \to NX) \times \text{Br}(N \to e^+e^- + E_{\text{miss}})$ e pelo comprimento de decaimento da LLP ($c\tau$), em vez de um único modelo específico.
• Seleção de Eventos: A topologia do sinal requer nenhuma atividade no painel upstream (Veto Upstream) para rejeitar backgrounds induzidos por neutrinos, seguida pela detecção de dois hits no painel downstream (Requisito de Dois Hits) com uma separação mínima de 22 cm. Esta seleção visa o decaimento da LLP ocorrendo no volume entre os dois painéis.
• Caracterização de Background: Os principais backgrounds são interações de neutrinos no solo/material do edifício circundante e atividade cosmogênica.
  • Background induzido por neutrino: Modelado usando simulações GENIE e GEANT4, escalonadas para o conjunto de dados.
  • Background cosmogênico: Estimado diretamente a partir dos dados usando uma janela de tempo pré-spill (1,6 $\mu$s antes do spill do feixe), que é livre de interações induzidas pelo feixe.
• Discriminação: Um Árvore de Decisão Potencializada (BDT) é treinada em quatro variáveis: a distância 3D entre os hits, separação horizontal, diferença de tempo e energia média depositada. A BDT distingue eventos semelhantes ao sinal dos backgrounds restantes.

Principais Contribuições

• Primeira Busca BSM do SBND: Este trabalho constitui a primeira busca de Física Além do Modelo Padrão realizada utilizando dados do SBND.
• Utilização de Detector Independente: Demonstra a viabilidade de usar um subsistema de detector (o CRT) como um instrumento independente para buscas de LLP, aproveitando sua resolução temporal e espacial, apesar de seu design original para detecção de raios cósmicos.
• Canal de Produção Inovador: A análise visa especificamente LLPs produzidas via upscattering de neutrino em material externo, um canal distinto dos mecanismos de produção por decaimento de méson explorados em outros experimentos.
• Estimativa de Background Baseada em Dados: O background cosmogênico é determinado inteiramente a partir dos dados, evitando a dependência de simulações externas para este componente.

Resultos
A análise observou 831 eventos nos dados comparado a um background esperado de $763,2 \pm 25\%$ (inc. incertezas sistemáticas). Não foi observado um excesso estatisticamente significativo; testes de bondade de ajuste (goodness-of-fit) yielded p-valores de 0,65, 0,86 e 0,71 para comprimentos de decaimento de 1 m, 3,1 m e 10 m, respectivamente.

Consequentemente, a colaboração estabeleceu limites superiores de confiança de 90% (CL) para a seção de choque efetiva de produção de LLPs que decaem em pares $e^+e^-$.

• Limites de Exclusão: Os limites alcançam seções de choque efetivas de aproximadamente $10^{-38} \text{ cm}^2$ (especificamente até $\sim 5 \times 10^{-39} \text{ cm}^2$ em seus pontos mais fortes) para comprimentos de decaimento laboratoriais variando de 0,3 m a 100 m.
• Sensibilidade: A sensibilidade é maximizada para comprimentos de decaimento na escala de metros ($c\tau \sim 1\text{--}10$ m), limitada pela aceitação geométrica de um volume de decaimento de 9,26 m.
• Interpretação do Modelo: Os resultados são interpretados no contexto de cenários de neutrinos escuros. Embora o cenário minimal 3+1 esteja abaixo da sensibilidade desta busca para os parâmetros de referência, um cenário 3+2 representativo com um desdobramento de massa específico estende-se para a região investigada por esta análise.

Significância e Alegações
O artigo afirma que estes resultados complementam buscas existentes ao investigar assinaturas de decaimento deslocado em comprimentos de decaimento na escala de metros, uma região não explorada anteriormente por outros experimentos para LLPs produzidas por neutrinos. Os autores enfatizam que, embora os limites de exclusão sejam mais fracos do que aqueles de buscas específicas de modelos com capacidades totais de detector (como o MicroBooNE), esta análise fornece uma abordagem complementar única. Ela demonstra que uma sensibilidade significativa para física BSM pode ser alcançada usando subsistemas de detectores não originalmente projetados para tais buscas, desde que possuam resolução temporal e espacial suficientes. O trabalho estabelece uma base para estudos futuros utilizando o detector completo do SBND, que poderia estender estas exclusões para uma gama mais ampla de comprimentos de decaimento e topologias.