Search for heavy neutral leptons in top quark decays with same-sign, same-flavor dilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Seit Jahrzehnten wissen Physiker, dass das Universum in seinem jetzigen Zustand nicht ganz vollständig ist. Das Standardmodell, die Theorie, die die fundamentalen Teilchen und Kräfte der Natur beschreibt, funktioniert mit verblüffender Präzision, lässt jedoch eine eklatante Lücke offen: Es kann nicht erklären, warum Neutrinos – jene geisterhaften Teilchen, die durch alles im Kosmos strömen – eine Masse besitzen. Das Modell ging ursprünglich davon aus, dass sie masselos seien, doch Experimente haben bestätigt, dass dies nicht der Fall ist. Diese winzige Diskrepanz deutet darauf hin, dass das Standardmodell lediglich eine Teilansicht einer tieferen Realität ist. Um diese Lücke zu schließen, haben Wissenschaftler die Existenz schwerer neutraler Leptonen vorgeschlagen, massereiche Cousins der vertrauten Neutrinos, die den Schlüssel zum Verständnis darüber enthalten könnten, warum das Universum überhaupt Materie besitzt. Diese hypothetischen Teilchen werden von Theorien vorhergesagt, die unser derzeitiges Verständnis erweitern und einen Mechanismus anbieten, um die kleinen Massen zu erzeugen, die wir bei gewöhnlichen Neutrinos beobachten, während sie ihre schwereren Gegenstücke vor unserem Blick verbergen.

Im Zentrum dieses Mysteriums steht eine spezifische Art von schwerem Teilchen, das sich anders verhält als die Materie, die wir kennen. Während gewöhnliche Teilchen über distinkte Identitäten verfügen, die verhindern, dass sie sich in ihr eigenes Spiegelbild verwandeln, wird theoretisiert, dass diese schweren neutralen Leptonen ihre eigenen Antiteilchen sind. Sollte ein solches Teilchen existieren, würde es eine fundamentale Regel der Natur verletzen, die als Erhaltung der Leptonenzahl bekannt ist – ein Prinzip, das normalerweise die Bilanz bestimmter Teilchen bei jeder Wechselwirkung im Gleichgewicht hält. Den Nachweis dieser Verletzung zu finden, wäre eine monumentale Entdeckung, die beweisen würde, dass die Natur Prozesse zulässt, die in unserem aktuellen Lehrbuch streng verboten sind. Es würde bestätigen, dass diese schweren Teilchen existieren und dass sie sich auf eine Weise transformieren können, die für gewöhnliche Materie unmöglich ist, was potenziell die Entstehung des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts im Universum erklären könnte.

Um diese schwer fassbaren Teilchen aufzuspüren, wandten Forscher am Large Hadron Collider in Genf ihre Aufmerksamkeit dem Top-Quark zu, dem schwersten bekannten Elementarteilchen. Im Standardmodell zerfällt ein Top-Quark fast immer in ein Bottom-Quark und ein W-Boson, welches sich dann in leichtere Teilchen aufspaltet. Falls jedoch schwere neutrale Leptonen existieren, könnte ein Top-Quark gelegentlich einen anderen Pfad einschlagen und in ein Bottom-Quark, ein geladenes Lepton wie ein Elektron oder ein Myon sowie eines dieser schweren neutralen Leptonen zerfallen. Das schwere Teilchen würde dann eine kurze Strecke zurücklegen, bevor es selbst zerfällt und ein weiteres geladenes Lepton sowie ein W-Boson erzeugt. Da das schwere Teilchen sein eigenes Antiteilchen ist, würde das zweite Lepton, das es produziert, dieselbe elektrische Ladung wie das erste tragen. Dies erzeugt eine seltene und charakteristische Signatur: zwei Elektronen oder zwei Myonen mit der gleichen Ladung, die gemeinsam in einem einzigen Kollisionsereignis erscheinen, begleitet von einem Spray aus anderen Teilchen.

Die CMS-Kollaboration, ein Team aus tausenden Wissenschaftlern, das einen massiven Detektor am Collider betreibt, analysierte eine riesige Sammlung von Proton-Proton-Kollisionen, um genau dieses Muster zu finden. Sie durchsieben Daten aus den Jahren 2016 bis 2018, was einer enormen Menge an aufgezeichneten Informationen entspricht, und suchen nach Ereignissen, bei denen zwei Teilchen des gleichen Ladungstyps zusammen mit Jets aus Energie von zerfallenden Quarks auftreten. Die Herausforderung ist immens, da das Hintergrundrauschen gewöhnlicher Teilcheninteraktionen überwältigend ist. Die meisten Kollisionen erzeugen Paare von Teilchen mit entgegengesetzten Ladungen, und das Finden von zwei Teilchen gleicher Ladung deutet meist auf einen Messfehler oder einen seltenen, bekannten Prozess hin. Um das potenzielle Signal vom Rauschen zu trennen, setzte das Team einen hochentwickelten Computeralgorithmus ein, der darauf trainiert wurde, die subtilen Unterschiede in der Energie und Richtung zwischen einem echten Zerfall eines schweren Teilchens und einem Standard-Hintergrundereignis zu erkennen.

Nachdem sie ihre strengen Auswahlkriterien angewandt und die Daten durch ihre Analysetools laufen lassen hatten, fanden die Forscher keine Beweise für die gesuchten schweren neutralen Leptonen. Die Anzahl der beobachteten Ereignisse entsprach perfekt den Vorhersagen für gewöhnliche Hintergrundprozesse. Es gab keinen Überschuss an Paarungen von Leptonen gleicher Ladung, der dem Zerfall eines Top-Quarks in ein schweres neutrales Lepton zugeschrieben werden konnte. Dieses Nullresultat ist eine bedeutende Erkenntnis an sich, da es den Wissenschaftlern erlaubt, enge Grenzen für den Ort festzulegen, an dem sich diese Teilchen verstecken könnten. Sie stellten fest, dass, falls diese schweren Teilchen existieren und in Top-Quark-Zerfällen produziert werden, sie extrem selten sein müssen – sie treten weniger als einmal in jeweils einigen zehntausend Top-Quark-Zerfällen auf.

Die Studie konzentrierte sich auf schwere neutrale Leptonen mit Massen zwischen 20 und 100 Gigaelektronenvolt, einem Bereich, der in diesem spezifischen Zerfallskanal zuvor nicht gründlich untersucht worden war. Für Teilchen in diesem Massenbereich berechneten die Forscher, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Top-Quark in ein schweres neutrales Lepton zerfällt, auf einen sehr kleinen Bruchteil begrenzt ist. Im Falle von Elektronen geschieht der Zerfall weniger als einmal in etwa 20.000 bis 90.000 Top-Quark-Zerfällen, abhängig von der Masse des Teilchens. Für Myonen liegt die Grenze noch strenger, wobei der Zerfall weniger als einmal in etwa 40.000 bis 270.000 Zerfällen erfolgt. Diese Grenzwerte sind die bisher strengsten Beschränkungen für diesen spezifischen Produktionsweg und schließen die Existenz dieser Teilchen in diesem Massenbereich effektiv aus, sofern sie mit höheren Raten produziert würden.

Obwohl die Suche nicht die schweren Teilchen zutage förderte, lieferte sie ein entscheidendes Puzzlestück, indem sie den Suchraum einengte. Die Ergebnisse sagen uns, dass, falls diese schweren neutralen Leptonen existieren und mit Top-Quarks so interagieren, wie es die Theorie vorhersagt, sie noch schwerer fassbar sein müssen als bisher angenommen. Die Daten stimmen mit dem Standardmodell überein und legen nahe, dass die schweren Teilchen, falls sie existieren, in Top-Quark-Zerfällen nicht mit der Häufigkeit auftreten, die erforderlich wäre, um das Rätsel der Neutrinomasse durch diesen spezifischen Mechanismus allein zu erklären. Dies zwingt Theoretiker dazu, die Parameter ihrer Modelle zu überdenken oder nach diesen Teilchen in anderen Produktionskanälen zu suchen. Die Arbeit steht als Zeugnis für die Präzision der modernen Teilchenphysik, in der das Ausbleiben einer Entdeckung ebenso informativ ist wie eine Entdeckung selbst, und leitet die wissenschaftliche Gemeinschaft zu den nächsten Schritten beim Verständnis der fundamentalen Bausteine des Universums.