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Title: Search for long-lived heavy neutral leptons with displaced vertices in proton-proton collisions at $$ \sqrt{\mathrm{s}} $$ =13 TeV
A bstract A search for heavy neutral leptons (HNLs), the right-handed Dirac or Majorana neutrinos, is performed in final states with three charged leptons (electrons or muons) using proton-proton collision data collected by the CMS experiment at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV at the CERN LHC. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . The HNLs could be produced through mixing with standard model neutrinos ν . For small values of the HNL mass ( < 20 GeV) and the square of the HNL- ν mixing parameter (10 − 7 –10 − 2 ), the decay length of these particles can be large enough so that the secondary vertex of the HNL decay can be resolved with the CMS silicon tracker. The selected final state consists of one lepton emerging from the primary proton-proton collision vertex, and two leptons forming a displaced, secondary vertex. No significant deviations from the standard model expectations are observed, and constraints are obtained on the HNL mass and coupling strength parameters, excluding previously unexplored regions of parameter space in the mass range 1–20 GeV and squared mixing parameter values as low as 10 − 7 .  more » « less
Award ID(s):
2121686 2209443
PAR ID:
10374155
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
7
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A<sc>bstract</sc> A search for long-lived heavy neutral leptons (HNLs) using proton-proton collision data corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1collected at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the CMS detector at the CERN LHC is presented. Events are selected with a charged lepton originating from the primary vertex associated with the proton-proton interaction, as well as a second charged lepton and a hadronic jet associated with a secondary vertex that corresponds to the semileptonic decay of a long-lived HNL. No excess of events above the standard model expectation is observed. Exclusion limits at 95% confidence level are evaluated for HNLs that mix with electron and/or muon neutrinos. Limits are presented in the mass range of 1–16.5 GeV, with excluded square mixing parameter values reaching as low as 2 × 10−7. For masses above 11 GeV, the presented limits exceed all previous results in the semileptonic decay channel, and for some of the considered scenarios are the strongest to date. 
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  4. A<sc>bstract</sc> A search for long-lived heavy neutral leptons (HNLs) is presented, which considers the hadronic final state and coupling scenarios involving all three lepton generations in the 2–20 GeV HNL mass range for the first time. Events comprising two leptons (electrons or muons) and jets are analyzed in a data sample of proton-proton collisions, recorded with the CMS experiment at the CERN LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. A novel jet tagger, based on a deep neural network, has been developed to identify jets from an HNL decay using various features of the jet and its constituent particles. The network output can be used as a powerful discriminating tool to probe a broad range of HNL lifetimes and masses. Contributions from background processes are determined from data. No excess of events in data over the expected background is observed. Upper limits on the HNL production cross section are derived as functions of the HNL mass and the three coupling strengthsVℓNto each lepton generationℓand presented as exclusion limits in the coupling-mass plane, as lower limits on the HNL lifetime, and on the HNL mass. In this search, the most stringent limit on the coupling strength is obtained for pure muon coupling scenarios; values of|$$ {V}_{\mu \textrm{N}}^2 $$ V μ N 2 |> 5 (4)×10−7are excluded for Dirac (Majorana) HNLs with a mass of 10 GeV at a confidence level of 95% that correspond to proper decay lengths of 17 (10) mm. 
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  5. A bstract The future Electron-Ion Collider (EIC) at Brookhaven National Laboratory, along with its primary capacity to elucidate the nuclear structure, will offer new opportunities to probe physics beyond the Standard Model coupled to the electroweak sector. Among the best motivated examples of such new physics are new heavy neutral leptons (HNLs), which are likely to play a key role in neutrino mass generation and lepton number violation. We study the capability of the EIC to search for HNLs, which can be produced in electron- proton collisions through charged current interactions as a consequence of their mixing with light neutrinos. We find that, with the EIC design energy and integrated luminosity, one is able to probe HNLs in the mass range of 1 – 100 GeV with mixing angles down to the order of 10 − 4 − 10 − 3 through the prompt decay signatures, and in the mass range of 1 10 GeV with | U e | 2 ~ 10 − 6 – 10 − 4 via the displaced decay signatures. We also consider the invisible mode where an HNL is undetected or decaying to dark sector particles. One could potentially probe heavy HNLs for mixing angles in the window 10 − 3 – 10 − 2 , provided SM background systematics can be brought under control. These searches are complementary to other probes of HNLs, such as neutrino-less double- β decay, meson decay, fixed-target, and high-energy collider experiments. 
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