La collaboration CMS a récemment présenté de nouveaux résultats dans la recherche de leptons neutres lourds à vie longue (HNL). Aussi connus sous le nom de « neutrinos stériles », les HNL sont des particules hypothétiques intéressantes qui pourraient résoudre trois énigmes majeures en physique des particules : ils pourraient expliquer la petitesse des masses des neutrinos via le mécanisme dit de « bascule », ils pourraient expliquer la matière-antimatière asymétrie de l’univers, et en même temps ils pourraient fournir un candidat pour la matière noire.
Ils sont cependant très difficiles à détecter car ils interagissent très faiblement avec les particules connues. L’analyse actuelle est un exemple de chercheurs devant utiliser des méthodes de plus en plus créatives pour détecter des particules que les détecteurs n’ont pas été spécifiquement conçus pour mesurer.
La plupart des particules étudiées dans les grandes expériences du LHC ont une chose en commun : elles sont instables et se désintègrent presque immédiatement après avoir été produites. Les produits de ces désintégrations sont généralement des électrons, des muons, des photons et des hadrons, des particules bien connues que les grands détecteurs de particules ont été conçus pour observer et mesurer.
Des études des particules à courte durée de vie d’origine sont réalisées sur la base d’une analyse minutieuse des produits de désintégration observés. De nombreux résultats phares du LHC ont été obtenus de cette manière, depuis la désintégration du boson de Higgs en paires de photons et quatre leptons jusqu’aux études du quark top et aux découvertes de nouveaux hadrons exotiques.
Les HNL étudiés dans cette analyse nécessitent une approche différente. Ce sont des particules neutres avec des durées de vie relativement longues qui leur permettent de voler pendant des mètres sans être détectées, avant de se désintégrer quelque part dans le détecteur. L’analyse présentée ici se concentre sur les cas où un HNL apparaîtrait après la désintégration d’un boson W dans une collision proton-proton, puis se désintégrerait lui-même quelque part dans le système de muons du détecteur CMS.
Le système de muons constitue la partie la plus externe de CMS et a été conçu, comme son nom l’indique, pour détecter les muons. Les muons produits dans les collisions proton-proton du LHC traversent tout le détecteur, laissant une trace dans le système de poursuite interne, puis une autre dans le système des muons. La combinaison de ces deux traces dans la trace complète des muons permet aux physiciens d’identifier les muons et de mesurer leurs propriétés. Dans la recherche HNL, un muon est remplacé par une particule lourde à faible interaction qui ne laisse aucune trace, jusqu’à ce qu’elle se désintègre.
S’il se désintègre dans le système de muons, il peut produire une gerbe de particules clairement visibles dans les détecteurs de muons. Mais, contrairement à un muon, il ne laisse aucune trace dans le détecteur de poursuite interne et aucune autre activité dans le système de muons. Cette analyse est basée sur la recherche d’amas de traces « sortis de nulle part » dans les détecteurs de muons.
L’analyse a débuté par la sélection d’événements de collision avec un électron ou un muon reconstruit à partir de la désintégration du boson W et un groupe isolé de traces dans le système muonique. Ensuite, l’analyse a nécessité la suppression des cas où les processus standards pouvaient imiter le signal HNL. Après l’analyse complète, aucun excès de signal supérieur aux attentes n’a été observé. En conséquence, une gamme de paramètres HNL possibles a été exclue, fixant les limites les plus strictes à ce jour pour les HNL avec des masses de 2-3 GeV.
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cds.cern.ch/record/2865227/fil … s/EXO-22-017-pas.pdf