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  • Search for long-lived heavy neutral leptons with lepton flavour conserving or violating decays to a jet and a charged lepton
Title: Search for long-lived heavy neutral leptons with lepton flavour conserving or violating decays to a jet and a charged lepton
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.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10549589
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2024
Issue:
3
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    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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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for heavy neutral leptons (HNLs) of Majorana or Dirac type using proton-proton collision data at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The data were collected by the CMS experiment at the CERN LHC and correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1. Events with three charged leptons (electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons) are selected, corresponding to HNL production in association with a charged lepton and decay of the HNL to two charged leptons and a standard model (SM) neutrino. The search is performed for HNL masses between 10 GeV and 1.5 TeV. No evidence for an HNL signal is observed in data. Upper limits at 95% confidence level are found for the squared coupling strength of the HNL to SM neutrinos, considering exclusive coupling of the HNL to a single SM neutrino generation, for both Majorana and Dirac HNLs. The limits exceed previously achieved experimental constraints for a wide range of HNL masses, and the limits on tau neutrino coupling scenarios with HNL masses above the W boson mass are presented for the first time. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    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 . 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for long-lived heavy neutrinos (N) in the decays of B mesons produced in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 41.6 fb−1collected in 2018 by the CMS experiment at the CERN LHC, using a dedicated data stream that enhances the number of recorded events containing B mesons. The search probes heavy neutrinos with masses in the range 1 <mN< 3 GeV and decay lengths in the range 10−2<cτN< 104mm, where τNis the N proper mean lifetime. Signal events are defined by the signature B →ℓBNX; N →ℓ±π∓, where the leptonsℓBandℓcan be either a muon or an electron, provided that at least one of them is a muon. The hadronic recoil system, X, is treated inclusively and is not reconstructed. No significant excess of events over the standard model background is observed in any of theℓ±π∓invariant mass distributions. Limits at 95% confidence level on the sum of the squares of the mixing amplitudes between heavy and light neutrinos, |VN|2, and oncτNare obtained in different mixing scenarios for both Majorana and Dirac-like N particles. The most stringent upper limit|VN|2< 2.0×10−5is obtained atmN= 1.95 GeV for the Majorana case where N mixes exclusively with muon neutrinos. The limits on|VN|2for masses 1 <mN< 1.7 GeV are the most stringent from a collider experiment to date. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for a new heavy scalar particleXdecaying into a Standard Model (SM) Higgs boson and a new singlet scalar particleSis presented. The search uses a proton-proton (pp) collision data sample with an integrated luminosity of 140 fb−1recorded at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The most sensitive mass parameter space is explored inXmass ranging from 500 to 1500 GeV, with the correspondingSmass in the range 200–500 GeV. The search selects events with two hadronically decayingτ-lepton candidates fromH→τ+τ−decays and one or two light leptons (ℓ=e,μ) fromS→VV(V=W,Z) decays while the remainingVboson decays hadronically or to neutrinos. A multivariate discriminant based on event kinematics is used to separate the signal from the background. No excess is observed beyond the expected SM background and 95% confidence level upper limits between 72 fb and 542 fb are derived on the cross-sectionσ(pp→X→SH) assuming the same SM-Higgs boson-like decay branching ratios for theS→VVdecay. Upper limits on the visible cross-sectionsσ(pp→X→SH→WWττ) andσ(pp→X→SH→ZZττ) are also set in the ranges 3–26 fb and 6–33 fb, respectively. 
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