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Search for heavy neutral leptons in top quark decays with same-sign, same-flavor dilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

利用 CMS 检测器在 $\sqrt{s}$ = 13 TeV 下收集的 138 fb $^{-1}$ 质子-质子碰撞数据，本研究通过同符号、同味轻子末态寻找顶夸克衰变中的马约拉纳重中性轻子，并在未观察到相对于标准模型背景有显著超出的情况下，对相关的分支比设定了 95% 置信水平的上界。

原作者： CMS Collaboration

发布于 2026-11-04

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CC BY 4.0

原作者： CMS 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

几十年来，物理学家们一直知道，目前的宇宙并不完全完整。标准模型——即描述自然界基本粒子和力的理论——其精确度惊人，却留下了一个明显的缺口：它无法解释为什么中微子（那些穿梭于宇宙万物之中的幽灵粒子）具有质量。该模型最初假设它们是无质量的，但实验已证实它们并非如此。这一微小的差异表明，标准模型仅仅是对更深层现实的一个局部观察。为了填补这一空白，科学家们提出了重中性轻子（heavy neutral leptons）的存在，它们是已知中微子的质量近亲，可能持有理解宇宙为何存在物质的关键。这些假设中的粒子由扩展我们当前理解的理论所预言，提供了一种机制，既能产生我们观察到的普通中微子的微小质量，又能将它们更重的对应物隐藏在我们的视野之外。

这一谜团的核心是一种行为方式与我们熟知的物质不同的特定类型重粒子。虽然普通粒子拥有独特的身份，使其无法变成自身的镜像，但这些重中性轻子被理论认为可以既是其自身也是其反粒子。如果这种粒子存在，它将违反被称为“轻子数守恒”的基本自然法则，这一原则通常在每一次相互作用中保持某些粒子的计数平衡。发现这种违反的证据将是一项里程碑式的发现，证明自然界允许那些在目前教科书中被严格禁止的过程发生。它将证实这些重粒子的存在，并证明它们可以以普通物质无法实现的方式进行转化，从而可能解释宇宙物质-反物质不平衡的起源。

为了搜寻这些难以捉摸的粒子，日内瓦大型强子对撞机的研究人员将注意力转向了顶夸克——已知最重的基本粒子。在标准模型中，顶夸克几乎总是衰变为一个底夸克和一个W玻色子，随后W玻色子会分解成更轻的粒子。然而，如果重中性轻子存在，顶夸克偶尔可能会采取一条不同的路径，衰变为一个底夸克、一个带电轻子（如电子或μ子）以及其中一个重中性轻子。该重粒子会在飞行一小段距离后自身发生衰变，产生另一个带电轻子和一个W玻色子。由于该重粒子是其自身的反粒子，它产生的第二个轻子将与第一个轻子具有相同的电荷。这创造了一个罕见且独特的特征信号：两个具有相同电荷和类型的电子或μ子，在单次碰撞事件中同时出现，并伴随着其他粒子的喷射。

CMS协作组——一个由数千名科学家组成的团队，在对撞机上操作着一台巨大的探测器——分析了大量的质子-质子碰撞数据，以寻找这种特定的模式。他们筛选了2016年至2018年的数据，这对应着极其庞大的记录信息量，寻找那些在两个同电荷粒子出现的同时，还伴随着由破碎夸克产生的能量喷流的事件。挑战是巨大的，因为普通粒子相互作用产生的背景噪声是压倒性的。大多数碰撞产生的粒子对具有相反的电荷，而发现一对同电荷粒子通常意味着测量误差或一种已知的罕见过程。为了从这些噪声中分离出潜在的信号，该团队采用了复杂的计算机算法，经过训练以识别真实重粒子衰变与标准背景事件之间在能量和方向上的细微差别。

在应用了严格的选择标准并将数据通过分析工具运行后，研究人员并未发现他们正在寻找的重中性轻子的证据。他们观察到的事件数量与普通背景过程的预测完美吻合。并没有出现可以归因于顶夸克衰变为重中性轻子的同电荷轻子对过剩现象。这一零结果本身就是一个重要的发现，因为它允许科学家为这些粒子可能隐藏的地方设定严格的边界。他们确定，如果这些重粒子存在并且在顶夸克衰变中产生，那么它们必须极其罕见，发生频率低于每几万个顶夸克衰变中的一次。

这项研究重点关注质量在20到100吉电子伏特（GeV）之间的重中性轻子，这一范围在此特定的衰变通道中此前从未被深入探索过。对于该质量范围内的粒子，研究人员计算出顶夸克衰变为重中性轻子的概率被限制在一个极小的比例内。对于电子而言，取决于粒子的质量，这种衰变发生的概率低于约20,000到90,000个顶夸克衰变中的一次。对于μ子而言，限制则更为严格，其衰变发生率低于约40,000到270,000个衰变中的一次。这些限值是目前针对该特定产生方式所能达到的最严苛约束，有效地排除了这些粒子在更高发生率下存在的可能性。

虽然研究未能发现这些重粒子，但它通过缩小搜索空间为拼图提供了关键的一块。结果告诉我们，如果这些重中性轻子确实存在，并且以理论预言的那种方式与顶夸克相互作用，那么它们必然比之前认为的更加难以捉摸。数据与标准模型一致，这表明，如果这些重粒子存在，它们在顶夸克衰变中出现的频率不足以仅通过这一特定机制来解释中微子质量之谜。这迫使理论学家重新审视其模型的参数，或者去其他的产生通道中寻找这些粒子。这项工作证明了现代粒子物理学的精密性——在这里，缺乏发现本身与发现同样具有启发意义，它指引着科学界迈向理解宇宙基本组成部分的下一步。

技术摘要：寻找顶夸克衰变中的重中性轻子

问题与动机
中微子振荡的观测证实了标准模型（SM）中的中微子具有非零质量，这一现象在最小标准模型框架内无法得到解释。I型跷西机制（Type-I seesaw mechanism）通过引入右手手性中微子场提供了一种理论上的解决方案，从而产生轻的中微子（类标准模型中微子）和重中性轻子（HNL）。虽然针对通过 $W$ 玻色子衰变或 $B$ 介子衰变产生的 HNL 已进行了直接搜索，但通过顶夸克衰变（ $t \to b \ell N$ ）产生 HNL 的过程提供了一种互补的探测手段，特别是对于质量（ $m_N$ ）低于 $W$ 玻色子质量（ $m_W$ ）的 HNL。该通道对由 Majorana 型 HNL 介导的轻子数破坏（LNV）过程具有敏感性，而这类过程将为不同的质量生成机制提供证据。此外，在某些超越标准模型（BSM）的情景中（例如具有 R-宇称破坏或轻子夸克的场景），破坏性干涉可能会抑制直接搜索通道，使得顶夸克衰变通道变得愈发重要。

方法论
本分析利用了 CMS 探测器在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子-质子碰撞数据，这些数据采集自 2016–2018 年运行阶段，对应的积分亮度为 138 fb $^{-1}$ 。该搜索针对的是顶夸克对（ $t\bar{t}$ ）产生的事件，其中一个顶夸克通过 LNV 过程 $t \to b \ell^+ N$ 衰变，随后 HNL 衰变为 $N \to \ell^+ W^- \to \ell^+ f \bar{f}'$ 。另一个顶夸克则通过标准的 SM 模式衰变。最终的实验特征是同号、同味（SSSF）的双轻子对（ $e^\pm e^\pm$ 或 $\mu^\pm \mu^\pm$ ）伴随喷注，其中包括至少一个经过 $b$ -标记的喷注。

分析聚焦于 $20 \le m_N \le 100$ GeV 的质量范围。对于 $m_N < m_W$ ，来自 HNL 衰变的 $W$ 玻色子是离壳（off-shell）的；对于 $m_N > m_W$ ，来自顶夸克衰变的 $W$ 玻色子是离壳的。该搜索采用基于梯度提升决策树（BDT）分类器的多元分析，以区分信号与背景。输入变量包括运动学性质，如轻子横动量（ $p_T$ ）、缺失横动量（ $p_T^{miss}$ ）、轻子-喷注组合的不变质量以及角距离。

背景被分为四类：

非瞬发轻子（Nonprompt leptons）： 主要背景使用矩阵法（matrix method）进行估计，通过从背景测量区域（BMR）向信号区域（SR）进行外推，并基于轻子误识别率进行计算。
轻子电荷误测量（ChgMis）： 通过测量数据中的电荷误识别率，并将其应用于模拟的反号事件来进行估计。
转换背景（Conversion backgrounds）： 使用模拟进行估计，并在三轻子控制区中进行验证。
瞬发轻子背景（Prompt-lepton backgrounds）： 包括 $WZ$ 、 $ZZ$ 、 $t\bar{t}V$ 以及稀有双玻色子产生过程，使用模拟进行估计。

系统不确定度（包括来自背景估计、轻子识别、喷注能量标度以及理论截面的不确定度）作为伴随参数（nuisance parameters）被纳入同时进行的分箱最大似然拟合中。

主要贡献与结果
本分析对电子和缪子中微子混合情景下的分支函数 $\mathcal{B}(t \to b \ell N)$ 以及混合参数平方 $|V_{\ell N}|^2$ 设定了 95% 置信水平（CL）的上界。

分支函数限制：
- 双电子通道： 观测（预期）限制范围为 $[1.1 (0.71)] \times 10^{-5}$ 至 $[4.8 (3.0)] \times 10^{-5}$ 。
- 双缪子通道： 观测（预期）限制范围为 $[3.7 (3.4)] \times 10^{-6}$ 至 $[2.4 (1.3)] \times 10^{-5}$ 。
- 由于缪子识别效率更高且电荷误测量率更低，双缪子通道的限制更为严格。
混合参数限制：
- $|V_{eN}|^2$ 的观测上界在 $16 \times 10^{-5}$ 至 $11 \times 10^{-2}$ 之间变化。
- $|V_{\mu N}|^2$ 的观测上界在 $4.2 \times 10^{-5}$ 至 $3.9 \times 10^{-2}$ 之间变化。
数据相容性： 在所有测试的质量假设下，观测数据与 SM 背景预测一致， $p$ 值 $\ge 0.3$ 。未观察到显著的过剩。
与其他搜索的比较： 在 $20 \le m_N \le 75$ GeV 的质量范围内，本搜索的预期限制比之前 ATLAS 关于顶夸克衰变中 HNL 的搜索强约两倍。然而，对于 $m_N > m_W$ ，由于信号过程不再由在壳（on-shell） $W$ 玻色子介导，敏感度迅速下降，这使得该通道的敏感度低于 $W$ 玻色子衰变中的直接 HNL 搜索。

意义
这项工作展示了首次利用同号、同味双轻子末态专门针对顶夸克衰变中产生的 Majorana HNL 进行的 CMS 搜索。通过高精度地探测 $m_N < m_W$ 区域，该分析补充了现有的直接搜索策略，并在 I 型跷西机制的背景下，对 HNL 与标准模型中微子之间的混合给出了严格的约束。结果证明了 CMS 探测器及分析技术在复杂的顶夸克环境中分离稀有 LNV 信号的能力，为 20–100 GeV 质量范围内的 HNL 搜索树立了新的基准。

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