2025/08/28 by ATLAS Collaboration, G. Aad, E. Aakvaag +124
Physics and Astronomy · Computer Science · #Particle physics theoretical and experimental studies #Computational Physics and Python Applications #Dark Matter and Cosmic Phenomena
paper · pdf · doi:10.1140/epjc/s10052-025-15191-w
Abstract The existence of right-handed neutrinos with Majorana masses below the electroweak scale could help address the origins of neutrino masses, the matter–antimatter asymmetry, and dark matter. In this paper, leptonic decays of W bosons from 140 fb -1 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mmultiscripts> </mml:math> of 13 TeV proton–proton collisions at the LHC, reconstructed in the ATLAS experiment, are used to search for heavy neutral leptons produced through their mixing with muon or electron neutrinos in a scenario with lepton number violation. The search is conducted using prompt leptonic decay signatures. The considered final states require two same-charge leptons or three leptons, while vetoing three-lepton same-flavour topologies. No significant excess over the expected Standard Model backgrounds is found, leading to constraints on the heavy neutral lepton’s mixing with muon and electron neutrinos for heavy-neutral-lepton masses. The analysis excludes |Ue|2 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>U</mml:mi> <mml:mi>e</mml:mi> </mml:msub> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> values above 8× 10-5 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>8</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and |Uμ |2 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>U</mml:mi> <mml:mi>μ</mml:mi> </mml:msub> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> values above 5.0 × 10-5 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>5.0</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> in the full mass range of 8–65 GeV. The strongest constraints are placed on heavy-neutral-lepton masses in the range 15–30 GeV of |Ue|2 lt; 1.1 × 10-5 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>U</mml:mi> <mml:mi>e</mml:mi> </mml:msub> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mn>1.1</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and |Uμ |2 lt; 5 × 10-6 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>U</mml:mi> <mml:mi>μ</mml:mi> </mml:msub> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mn>5</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> .