Auf der Suche nach sterilen Neutrinos im CMS-Myonensystem

Die CMS-Kollaboration hat kürzlich neue Ergebnisse bei der Suche nach langlebigen schweren neutralen Leptonen (HNLs) vorgelegt. HNLs, auch als „sterile Neutrinos“ bekannt, sind interessante hypothetische Teilchen, die drei große Rätsel der Teilchenphysik lösen könnten: Sie könnten die Kleinheit der Neutrinomassen über den sogenannten „Wippmechanismus“ erklären, sie könnten die Materie-Antimaterie erklären Asymmetrie des Universums, und gleichzeitig könnten sie einen Kandidaten für Dunkle Materie darstellen.

Sie sind jedoch sehr schwer nachzuweisen, da sie mit bekannten Partikeln nur sehr schwach interagieren. Die aktuelle Analyse ist ein Beispiel dafür, dass Forscher immer kreativere Methoden anwenden müssen, um Partikel zu erkennen, für deren Messung die Detektoren nicht speziell entwickelt wurden.

Die meisten der in den großen LHC-Experimenten untersuchten Teilchen haben eines gemeinsam: Sie sind instabil und zerfallen fast unmittelbar nach ihrer Entstehung. Die Produkte dieser Zerfälle sind normalerweise Elektronen, Myonen, Photonen und Hadronen – bekannte Teilchen, für deren Beobachtung und Messung die großen Teilchendetektoren entwickelt wurden.

Untersuchungen der ursprünglichen kurzlebigen Partikel basieren auf einer sorgfältigen Analyse der beobachteten Zerfallsprodukte. Viele der Flaggschiff-LHC-Ergebnisse wurden auf diese Weise erzielt, vom Zerfall des Higgs-Bosons in Photonenpaare und vier Leptonen bis hin zu Untersuchungen des Top-Quarks und der Entdeckung neuer exotischer Hadronen.

Die in dieser Analyse untersuchten HNLs erfordern einen anderen Ansatz. Es handelt sich um neutrale Teilchen mit vergleichsweise langer Lebensdauer, die es ihnen ermöglichen, meterweit unentdeckt zu fliegen, bevor sie irgendwo im Detektor zerfallen. Die hier vorgestellte Analyse konzentriert sich auf Fälle, in denen ein HNL nach dem Zerfall eines W-Bosons bei einer Proton-Proton-Kollision erscheinen würde und dann selbst irgendwo im Myonensystem des CMS-Detektors zerfallen würde.

Das Myonensystem stellt den äußersten Teil des CMS dar und wurde – wie der Name schon sagt – zur Erkennung von Myonen entwickelt. Myonen, die bei den Proton-Proton-Kollisionen des LHC entstehen, durchqueren den gesamten Detektor und hinterlassen eine Spur im inneren Trackingsystem und dann eine weitere im Myonensystem. Durch die Kombination dieser beiden Spuren zur vollständigen Myonenspur können Physiker Myonen identifizieren und ihre Eigenschaften messen. Bei der HNL-Suche wird ein Myon durch ein schwach wechselwirkendes schweres Teilchen ersetzt, das keine Spuren hinterlässt – bis es zerfällt.

Wenn es im Myonensystem zerfällt, kann es einen Teilchenschauer erzeugen, der in den Myonendetektoren deutlich sichtbar ist. Aber – anders als ein Myon – hinterlässt es keine Spuren im inneren Tracking-Detektor und keine andere Aktivität im Myonensystem. Diese Analyse basiert auf der Suche nach „aus dem Nichts“ auftretenden Spurenclustern in den Myonendetektoren.

Die Analyse begann mit der Auswahl von Kollisionsereignissen mit einem rekonstruierten Elektron oder Myon aus dem Zerfall des W-Bosons und einem isolierten Spurencluster im Myonsystem. Anschließend musste für die Analyse Fälle entfernt werden, in denen Standardprozesse das HNL-Signal imitieren könnten. Nach der vollständigen Analyse wurde kein Signalüberschuss über den Erwartungen beobachtet. Infolgedessen wurde eine Reihe möglicher HNL-Parameter ausgeschlossen, wodurch die bisher strengsten Grenzwerte für HNLs mit Massen von 2–3 GeV festgelegt wurden.