⚛️ high-energy experiments

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

本研究利用来自 ATLAS 探测器、能量为 13 TeV 的 140 fb $^{-1}$ 质子-质子碰撞数据，通过瞬发同电荷双轻子或三轻子信号寻找 W 玻色子衰变中的重中性轻子，未发现相对于标准模型背景的显著过剩，从而在 8–65 GeV 的质量范围内，对其与电子和μ子中微子的混合设定了严格的上界。

原作者： ATLAS Collaboration

发布于 2026-07-24

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CC BY 4.0

原作者： ATLAS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，宇宙是一个巨大而繁忙的派对，每一个粒子都在扮演着自己的角色。几十年来，物理学家一直试图弄清楚为什么那些“中微子”——那些穿梭于万物之间却不留痕迹、幽灵般且隐形的宾客——竟然拥有质量。这有点像发现一个幽灵竟然有重量；根据旧有的规则手册，这本是不可能的事。为了解开这个谜团，科学家们提出了一个新角色：重中性轻子（HNL）。把这个 HNL 想象成中微子的“大哥”，一个沉重而害羞的亲戚，它或许能解释为什么微小的中微子会有质量，为什么宇宙是由物质而非仅仅是反物质组成的，甚至能解释暗物质是由什么构成的。大问题在于：这些沉重的亲戚是真的存在，还是仅仅纸面上的一个巧妙构想？

这篇论文讲述了一场为了寻找这些行踪难觅的 HNL 而派遣出的庞大搜寻行动的故事。科学家们利用 ATLAS 探测器——一个建在大型强子对撞机（LHC）内部、规模如大教堂般宏伟的多层数字照相机——将质子以惊人的速度撞击在一起。他们正在寻找一个非常特定的“烟雾弹”：一个重中微子瞬间诞生、存活极短时间，然后衰变成三个同时出现的带电粒子（如电子或μ子）。因为这些重中微子本身就是它们自己的反粒子（一种奇特的量子戏法），它们可以产生一对具有相同电荷的粒子，这种特征几乎不可能被宇宙中标准的“背景噪声”所伪造。

团队分析了相当于 140 inverse femtobarns 碰撞的海量数据（这是一种高级说法，意指他们观察了 140 万万亿次质子碰撞）。他们设置了一系列数字陷阱，即“信号区”，旨在捕捉这些三粒子事件，同时过滤掉数十亿个枯燥的标准事件。他们在 8 到 65 GeV（一个衡量粒子质量的能量单位）的质量范围内寻找重中微子的出现。

结果如何？陷阱大多是空的，尽管出现了一个微小且引人注目的波动。科学家们并未在数据中发现隐藏的重中性轻子，但他们观察到了一个小小的异常：他们看到的事件数量略高于预期，显示出 1.7 sigma 的过剩。虽然这是一个有趣的暗示，但其强度还不足以宣布一项发现；这与随机统计噪声是一致的，而非新粒子的出现。论文明确排除了这些重中微子存在的可能性，前提是它们与电子或 μ 中微子的混合强度大于某些极小的数值。具体而言，对于质量在 15 到 30 GeV 之间的重中微子，其混合强度对于电子必须小于 1.1 × 10⁻⁵，对于 μ 子必须小于 5 × 10⁻⁶。在 8 到 65 GeV 的全范围内，混合强度必须更弱，分别低于 8 × 10⁻⁵ 和 5.0 × 10⁻⁵。

因此，虽然重中微子仍然是一个理论上的可能性，但这次搜索已经将“你在哪里？”的指示牌向更远处推了一步。如果它们确实存在，那么它们要么比这次搜索所能捕捉到的要重得多，要么它们是如此害羞且与宇宙其他部分的联系如此微弱，以至于比我们想象的还要难以捉摸。搜寻仍在继续，但宇宙的地图变得更加精确了。

技术摘要：利用 ATLAS 探测器中 $W$ 玻色子衰变中的瞬发特征寻找重中性轻子

问题与动机
中微子振荡的发现证实了中微子具有质量，这一现象无法由标准模型（SM）解释。这一观测结果表明可能存在右手重马约拉纳中微子，通常被称为重中性轻子（HNLs），它们可能源于第一型跷西机制（Type-1 Seesaw mechanism）。HNLs 在理论上具有重要意义，可以作为解释中微子质量微小性、宇宙重子不对称性（通过轻子生成机制）以及暗物质候选者的潜在解释。虽然之前的搜索已在各种质量范围内（包括长寿命粒子特征）对 HNLs 进行了限制，但本文针对的是使用大型强子对撞机（LHC）全 Run 2 数据集，在 $W$ 玻色子衰变中产生的瞬发（prompt）HNL 衰变搜索。

方法论
本分析利用了 ATLAS 探测器在质心能量为 $\sqrt{s} = 13 \text{ TeV}$ 下收集的 $140 \text{ fb}^{-1}$ 质子-质子碰撞数据。该搜索的目标是通过与标准模型中微子混合，在在壳（on-shell） $W$ 玻色子的衰变过程中（ $W \to \ell^\pm N$ ）产生单个 HNL ( $N$ )，随后 HNL 进行瞬发衰变为带电轻子和中微子（ $N \to \ell^\mp \nu$ ）。由于 HNL 的马约拉纳性质，这一过程会导致末态包含三个带电轻子和一个中微子，其中两个轻子具有相同的味（flavor）和电荷（同味同电荷，SFSC），而第三个轻子的味不同且电荷相反。

事件选择： 分析定义了信号区域（SRs），要求要么具有三个瞬发信号轻子，要么具有两个信号轻子加一个基准轻子。为了抑制主要的标准模型背景（如 $WZ $、$ ZZ $和$ VVV $产生），事件被剔除了具有三个同味轻子的情况，并对包括横向质量（$ m_T $）、有效质量（$ m_{\text{eff}}$）以及 SFSC 轻子对不变质量（ $m_{\ell\ell}^{\text{SC}}$ ）在内的变量应用了运动学要求。此外，应用了 $b$ -喷注剔除以减少顶夸克背景。
背景估计： 背景被分为三类：
1. 瞬发标准模型过程： 使用归一化到理论截面的蒙特卡洛（MC）模拟进行估计（主要由 $WZ$ 组成）。
2. 电荷翻转电子： 使用基于电子电荷误识别概率的数据驱动方法进行估计，但在信号区域中发现其影响可以忽略不计。
3. 伪轻子与非瞬发轻子： 使用基于松紧度不同的轻子识别效率差异的矩阵方法（matrix method）进行数据驱动估计。这一类别是主要的背景来源。
系统不确定性： 不确定性包括积分亮度（0.83%）、轻子识别与重建效率、喷注能量标度与分辨率，以及信号和背景过程的模型不确定性。主要的不确定性来自于伪/非瞬发轻子背景估计中的统计和系统误差。

主要贡献

扩展质量范围： 本分析覆盖了 $8 $–$ 65 \text{ GeV}$ 的重中性轻子质量范围，扩展了之前基于部分 Run 2 数据集的 ATLAS 瞬发衰变搜索。
全面的信号区域： 研究为 $e^\pm e^\pm \mu^\mp$ 和 $\mu^\pm \mu^\pm e^\mp$ 末态以及两轻子信号区域定义并优化了多个信号区域，后者用于回收那些未能通过严格信号标准但通过了基准要求的事件。
稳健的背景验证： 背景估计方法在通过放宽运动学截面的控制区域（CRs）和验证区域（VRs）进行了验证，结果显示观测到的数据与预测的标准模型背景之间符合良好，偏差在 $2\sigma$ 以内。

结果
未观测到相对于预期标准模型背景的显著超额事件。所有信号区域中的观测事件产额与背景预测一致，最大的局部偏差出现在 SRE3 信号区域，为 $1.7$ 个标准差。

因此，该分析给出了关于混合参数 $|U_e|^2$ 和 $|U_\mu|^2$ 随 HNL 质量（ $m_{\text{HNL}}$ ）变化的依赖于模型的排除限制：

**全质量范围（$8 $–$ 65 \text{ GeV} $）：** 分析排除了$ |U_e|^2 $高于$ 8 \times 10^{-5} $以及$ |U_\mu|^2 $高于$ 5.0 \times 10^{-5}$ 的情况。
最强约束： 最严格的限制是在 $15 $–$ 30 \text{ GeV} $质量范围内实现的，排除了$ |U_e|^2 < 1.1 \times 10^{-5} $和$ |U_\mu|^2 < 5 \times 10^{-6}$。
更宽范围： 在更宽的质量区间（$15 $–$ 50 \text{ GeV} $和$ 15 $–$ 40 \text{ GeV} $）内，分别对$ |U_e|^2 $和$ |U_\mu|^2 $设定了$ 1.8 \times 10^{-5} $和$ 7.0 \times 10^{-6}$ 的上限。

重要性
论文声称这些结果超越了之前基于部分 Run 2 数据的 ATLAS 搜索，并与现有的长寿命 HNL 搜索以及其他 HNL 产生机制（如矢量玻色子融合）的研究形成了互补。通过专注于 $8 $–$ 65 \text{ GeV}$ 质量范围内的瞬发特征，这项工作为目前已知关于重中性轻子与电子及缪子中微子混合的最严格约束，有效地探测了 HNL 可能解释中微子质量起源和物质-反物质不对称性的参数空间。

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