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

技术摘要：寻找具有一个瞬发缪子（Prompt Muon）和由两个非瞬发缪子（Non-prompt Muons）组成的二次顶点构成的特征信号的长寿命重中性轻子

问题与动机

中微子振荡的发现证实了中微子具有非零质量，这表明存在超越标准模型（SM）的新物理。作为标准模型中微子的质量较大的右手对应物，重中性轻子（HNLs）通过跷西机制（seesaw mechanism）提供了一个理论框架来解释这些质量，并可能解决诸如暗物质和物质-反物质不对称性等宇宙学难题。虽然 HNL 在标准模型规范群下是单态，但它们可以通过与标准模型中微子的混合在质子-质子（pp）碰撞中产生。

本分析针对的是通过 W 玻色子衰变产生的 HNL（$W \to \ell N$），随后 HNL 衰变为两个带电轻子和一个中微子（$N \to \ell' \ell'' \nu$）。该研究特别关注 HNL 参数空间的“长寿命”区域，即低质量（$m_N \lesssim 5$ GeV）和小混合参数（$|V_{N\mu}|^2 \sim 10^{-6}–10^{-5}$）的情况。在此机制下，HNL 会在发生宏观位移后才发生衰变，通常会在内层硅径迹探测器之外进行衰变。传统的基于径迹探测器的搜索对于横向衰变长度（$L_{xy}$）超过 $\sim 1$ m 的情况接受度有限。本分析旨在通过仅使用 CMS 外层缪子系统重建缪子，将敏感度扩展到约 50–400 cm 的衰变长度。

方法论

• 数据集： 本分析利用了 CMS 实验在 LHC 上收集的质子-质子碰撞数据。这包括在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下记录的 138 fb$^{-1}$ 积分亮度（2016–2018 年），以及首次在 H-LHC 搜索中使用的在 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 下记录的 34.6 fb$^{-1}$ 数据（2022 年）。
• 信号模型： 信号事件使用 MADGRAPH5_aMC@NLO 进行领先阶模拟，并通过 PYTHIA 进行部分子淋洗。模拟假设为 Majorana HNL 且仅耦合至中微子味（$|V_{Ne}|=|V_{N\tau}|=0$）。生成的样本涵盖 $m_N$ 在 1–6 GeV 范围内的质量。为了考虑 HNL 寿命对质量和混合强度的依赖性，应用了逐事件重加权，以匹配特定目标混合参数下的固有寿命分布。
• 事件重建与选择：
  • 触发器： 通过要求孤立缪子 $p_T > 27$ (24) GeV 的单缪子触发器来选择事件。
  • 瞬发缪子 ($\mu_0$)： 要求恰好有一个满足严格识别和孤立条件（$I_{rel} < 0.15$）且源自初级顶点（PV）的瞬发缪子。
  • 位移缪子 ($\mu_1, \mu_2$)： 分析的核心在于“位移独立（displaced standalone, DSA）”缪子。这些缪子仅利用缪子系统中的命中点（漂移管、阴极带状计数器、电阻板计数器）进行重建，而不要求与内层硅径迹探测器中的径迹匹配。这种技术允许重建在探测器外层或更远位置衰变的缪子。
  • 二次顶点： 两个 DSA 缪子必须形成一个收敛的二次顶点，且拟合 $p$-value $> 0.001$。至关重要的是，这些缪子不得与径迹探测器中的任何径迹匹配，从而确保与之前的基于径迹探测器的搜索具有正交性，并抑制瞬发背景。
  • 运动学截断： 选择标准利用了 HNL 的高加速特性。包括以下要求：
    • 双缪子横向动量 $p_T^{pair} > 10$ GeV。
    • 角分离 $\Delta R(\mu_1, \mu_2) < 1.0$ 且 $\cos \theta(\mu_1, \mu_2) > 0.9$。
    • 三个缪子的不变质量 $40 < m(\mu_0, \mu_1, \mu_2) < 90$ GeV。
    • 方位角分离 $\Delta \phi(\mu_0, \mu_{1/2}) > 1.5$。
    • 排除 b-标记喷注和 Z 玻色子候选者（$m(\mu_0, \mu') < 80$ GeV）。
• 信号区域 (SR)： SR 根据两个判别变量分为四个箱（bin）：双缪子横向动量（$p_T^{pair}$）和二次顶点位移显著性（$L_{xy}/\sigma_{L_{xy}}$）。最优分箱阈值为 $p_T^{pair} > 22$ GeV 和 $L_{xy}/\sigma_{L_{xy}} > 4$。
• 背景估计： 主要背景来自于误重建的瞬发或轻微位移的缪子对（例如来自堆积效应的 $J/\psi$ 衰变或半轻子 b-强子衰变）。由于蒙特卡洛模拟无法可靠地模拟导致此类误重建的仪器效率问题，因此采用了数据驱动的“ABCD 方法”。两个统计独立的条件定义了四个区域：一个径迹探测器对 $\mu_1$ 的否决以及一个缩减的信号选择。SR（区域 A）中的背景产量通过 $n_A = n_B \times (n_C / n_D)$ 进行估计，其中 $n_B, n_C, n_D$ 是控制区的产量。验证区域（VR）证实了该方法的鲁棒性，低 $p_T$ 侧带中的不闭合现象归因于光子转换，该贡献在高 $p_T$ SR 中被认为可以忽略不计。

主要贡献

1. 扩展的衰变长度敏感度： 通过使用仅由缪子系统重建的 DSA 缪子，本分析显著扩展了对横向衰变长度高达 $\sim 400$ cm 的 HNL 的搜索范围，这一领域是标准基于径迹探测器的分析无法触及的。
2. 首次使用 13.6 TeV 数据： 这是首次在 HNL 搜索中纳入 2022 年运行的 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 数据。
3. 与以往搜索的正交性： 要求位移缪子没有相关的径迹信息，使得本研究与依赖于硅径迹探测器内位移径迹的 CMS 搜索（参考文献 [40]）具有互补性。
4. 全面的背景控制： 应用 ABCD 方法并在低 $p_T$ 和反向径迹探测器否决区域进行严格验证，为残余的标准模型背景提供了稳健的估计。

结果

在 13 TeV 或 13.6 TeV 数据集的任何四个信号箱中，均未观察到相对于预测背景的显著事件过剩。观测到的产量与在统计和系统不确定性范围内的背景假设一致。

在假设 Majorana HNL 的前提下，在 $m_N$ 为 1–5 GeV 的范围内，设定了关于混合参数 $|V_{N\mu}|^2$ 随 HNL 质量变化的 95% 置信水平 (CL) 排除限制。

• 对于 2 至 4 GeV 之间的质量，分析排除了在 $10^{-6}$ 到 $10^{-5}$ 范围内的混合参数。
• 当 $m_N \gtrsim 4.5$ GeV 时，由于 HNL 寿命迅速下降（按 $m_N^{-5}$ 比例缩放），敏感度下降，导致较重的 HNL 在到达敏感衰变体积前就已衰变。
• 与针对类似质量范围（包括瞬发、位移径迹和 B 介子衰变搜索）的先前 CMS 分析相比，本分析提高了在 2.5 至 4.2 GeV 质量范围内的预期敏感度，特别是探测了长寿命、低混合强度的区域。

意义

论文声称，本分析在 2.5 至 4.2 GeV 质量范围内的 HNL 敏感度超越了以往的实验结果。通过针对专门在缪子系统中重建的高度位移顶点，该搜索探测了一个此前约束较少的特定 HNL 参数空间（低质量、小混合、长寿命）。无结果（null result）进一步收紧了对该质量窗口内可能解释中微子质量产生或暗物质候选者的 Majorana HNL 的限制。成功整合 13.6 TeV 数据展示了 CMS 实验利用更高能量数据集进行稀有过程搜索的能力。