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Published February 1, 2026 | Version v1
Thesis Open

Simulation of Heavy Neutral Lepton production and decay with the Sherpa event generator

Authors/Creators

  • 1. Technische Universität Dresden

Contributors

  • 1. Technische Universität Dresden
  • 2. ROR icon Humboldt-Universität zu Berlin

Description

This thesis presents the validation of the implementation of heavy neutral leptons (HNLs) within the framework of the Type I Seesaw mechanism in the Monte Carlo event generator Sherpa [1]. The Seesaw mechanism is a widely studied extension of the Standard Model (SM). It explains the smallness of neutrino masses by introducing additional neutrino mass eigenstates, known as heavy neutral leptons. The observation of HNLs would provide clear evidence for physics beyond the SM. Accurate Monte Carlo simulations of their production and decay at collider experiments are therefore essential for experimental searches and the interpretation of their results. Previous studies [2, 3] have investigated this scenario using the matrix element generator MadGraph5_aMC@NLO [4] in combination with the parton shower Pythia8 [5]. In contrast, earlier studies of HNL simulations in Sherpa were limited and did not involve a systematic validation [6]. In this thesis, the implementation of HNL production and decay in Sherpa is validated by comparing its predictions to results obtained with MadGraph+Pythia. Good agreement between the two simulation frameworks is found for kinematic distributions in both production and decay processes. In particular, both approaches reproduce characteristic differences in angular distributions between lepton number conserving (LNC) and lepton number violating (LNV) HNL decays. Furthermore, this thesis represents a significant advancement in the simulation of HNLs compared to previous works, as it demonstrates several advantages of the Sherpa simulation which are not available in MadGraph+Pythia. These include the consistent treatment of spin correlations in the semileptonic decay channel into a 𝜌-meson, such as 𝐻 𝑁 𝐿 → 𝜌 ± 𝜇 ∓ → 𝜋 ± 𝜋 0 𝜇 ∓ , as well as the implementation of HNL decays into 𝜏± leptons.

Abstract (German)

Diese Arbeit präsentiert die Validierung der Implementierung schwerer neutraler Leptonen (Heavy Neutral Leptons, HNLs) im Rahmen des Typ-I-Seesaw-Mechanismus im Monte-Carlo-Event Generator Sherpa [1]. Der Seesaw-Mechanismus ist eine weit verbreitete Erweiterung des Standardmodells (SM), die die kleinen Neutrinomassen durch die Einführung zusätzlicher Neutrinomasseneigenzustände erklärt. Diese werden als schwere neutrale Leptonen bezeichnet. Der experimentelle Nachweis von HNLs würde einen klaren Beweis für Physik jenseits des Standardmodells liefern. Zuverlässige Monte-Carlo-Simulationen ihrer Produktion und ihres Zerfalls an Kollisionsexperimenten sind daher für die experimentelle Suche und die Interpretation ihrer Ergebnisse von zentraler Bedeutung. Frühere Studien [2, 3] untersuchten dieses Szenario unter Verwendung des Matrixelement-Generators MadGraph5_aMC@NLO [4] in Kombination mit dem Parton-Shower-Programm Pythia8 [5]. Im Gegensatz dazu waren frühere Arbeiten zu HNL-Simulationen in Sherpa in ihrem Umfang begrenzt und beinhalteten keine systematische Validierung [6]. In dieser Arbeit wird die Implementierung der HNL-Produktion und -Zerfälle in Sherpa durch einen Vergleich mit Ergebnissen aus MadGraph+Pythia validiert. Für kinematische Verteilungen sowohl in der Produktion als auch im Zerfall wird eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Simulationsprogrammen festgestellt. Insbesondere reproduzieren beide An sätze charakteristische Unterschiede in den Winkelverteilungen zwischen leptonzahlerhaltenden und leptonzahlverletzenden HNL-Zerfällen. Darüber hinaus demonstriert diese Arbeit mehrere Vorteile der Sherpa-Simulation. Dazu zählen die konsistente Behandlung von Spinkorrelationen in semileptonischen Zerfallskanälen, wie etwa 𝐻 𝑁 𝐿 → 𝜌±𝜇∓ → 𝜋±𝜋0𝜇∓, sowie die Implementierung von HNL-Zerfällen in 𝜏±-Leptonen. Diese Eigenschaften stehen in den entsprechenden MadGraph+Pythia-Simulationen nicht zur Verfügung.

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