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Lepton Number Violation at the LHC in Radiative Neutrino Mass Models with Leptoquarks

Este artículo investiga el potencial del HL-LHC (LHC de alta luminosidad) para detectar la violación del número leptónico mediante firmas de dileptones de mismo signo más un jet en un modelo de masa de neutrinos radiativa con leptoquarks, encontrando que puede sondear masas de leptoquarks de hasta aproximadamente 1.5 TeV y establecer inequívocamente la naturaleza Majorana de los neutrinos.

Autores originales: K. S. Babu, Rahool Kumar Barman, Dorival Gonçalves

Publicado 2026-09-23

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CC BY 4.0

Autores originales: K. S. Babu, Rahool Kumar Barman, Dorival Gonçalves

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

La naturaleza esconde sus secretos más profundos en las partículas más pequeñas. Entre estas, el neutrino es quizás el más elusivo, una partícula fantasmagórica que atraviesa la Tierra por billones cada segundo sin dejar rastro. Durante décadas, los físicos han sabido que los neutrinos tienen masa, pero el origen de esa masa sigue siendo uno de los grandes misterios sin resolver de la física moderna. El modelo estándar de la física de partículas, que describe con éxito casi todo lo que vemos, sugiere que los neutrinos deberían carecer de masa. Para explicar por qué tienen masa, los científicos han propuesto que los neutrinos podrían ser sus propias antipartículas, una propiedad conocida como ser partículas de Majorana. Si esto es cierto, significaría que una regla fundamental del universo, llamada conservación del número leptónico, puede romperse. Esta violación sería una prueba irrefutable de una nueva física, revelando un mecanismo que genera masa de una manera que nunca antes hemos visto.

Un equipo de investigadores ha dirigido ahora su atención a un marco teórico específico que podría explicar este misterio y, al mismo tiempo, ofrecer una forma de probarlo en el colisionador de partículas más potente del mundo. Se centraron en un modelo que reemplaza a las partículas habituales responsables de generar la masa del neutrino por un tipo diferente de partícula llamada leptoquark. A diferencia de las partículas conocidas, los leptoquarks son objetos hipotéticos que pueden transformar un quark, que compone protones y neutrones, en un leptón, como un electrón o un muón. En esta versión específica de la teoría, la masa del neutrino no se crea instantáneamente, sino que se construye lentamente a través de un complejo bucle de interacciones, un proceso que ocurre solo una vez en un sentido cuántico. Los investigadores querían saber si esta configuración específica podría dejar una firma detectable en el Gran Colisionador de Hadrones, la enorme máquina en Suiza que estrella protones entre sí a casi la velocidad de la luz.

El equipo, liderado por físicos de la Universidad Estatal de Oklahoma y la Universidad de Tokio, se propuso simular qué sucedería si estos leptoquarks existieran y fueran producidos en las colisiones del colisionador. Buscaban un evento muy raro y específico: la creación de dos partículas cargadas con la misma carga eléctrica, como dos electrones o dos muones, apareciendo juntas con una ráfaga de otras partículas llamadas jets. En el mundo normal, las partículas se crean en pares con cargas opuestas para equilibrar las cuentas. Encontrar dos de la misma carga sería una señal clara de que la regla de conservación del número leptónico se había roto en dos unidades. Este es exactamente el tipo de evento que establecería de forma inequívoca que los neutrinos son sus propias antipartículas. Los investigadores construyeron un modelo computacional detallado de su teoría, incorporando todas las reglas conocidas de la física de partículas y los límites estrictos establecidos por experimentos previos. Tenían que asegurar que su modelo no contradijera los datos existentes, como las mediciones precisas de cómo oscilan los neutrinos o el hecho de que los protones no decaen rápidamente.

Tras mapear cuidadosamente las posibilidades permitidas para la masa y el comportamiento de estos leptoquarks, el equipo realizó simulaciones para ver con qué frecuencia aparecerían estos pares de leptones de la misma carga. Descubrieron que la forma más probable de producir esta señal es a través de la fuerza nuclear fuerte, que es la misma fuerza que mantiene unidos los núcleos atómicos. Esta fuerza puede crear pares de leptoquarks en cantidades enormes en comparación con otros métodos. Una vez creados, estas partículas pesadas se desintegrarían en la firma de los dos leptones de la misma carga y los jets. Los investigadores aplicaron entonces los estrictos criterios de selección utilizados por los principales detectores del colisionador para filtrar el ruido de fondo y las falsas alarmas. Calcularon cuántos de estos eventos raros serían visibles si el colisionador funcionara con todo su potencial futuro, conocido como el LHC de Alta Luminosidad, que recolectará muchísimos más datos de los que ha recolectado hasta ahora.

Los resultados de su análisis sugieren que este tipo específico de leptoquark está al alcance de la próxima generación de experimentos. Si estas partículas existen con masas de hasta aproximadamente 1,5 TeV, el LHC de Alta Luminosidad debería ser capaz de detectar la señal de dos leptones de la misma carga y jets con alta confianza. Esto no solo confirmaría la existencia de estas nuevas partículas, sino que también proporcionaría evidencia directa de que el número leptónico se viola en la naturaleza. Tal descubrimiento sería un paso monumental hacia adelante, confirmando que los neutrinos son, de hecho, partículas de Majorana y revelando el mecanismo detrás de sus diminutas masas. El estudio demuestra que, incluso si las nuevas partículas son pesadas y las interacciones son sutiles, el poder puro del colisionador, combinado con la firma única de este proceso, ofrece un camino claro para desentrañar uno de los secretos más fundamentales del universo.

Resumen Técnico: Violación del Número Leptónico en el LHC en Modelos de Masa de Neutrinos Radiativa con Leptoquarks

Planteamiento del Problema
La naturaleza fundamental de la masa de los neutrinos —específicamente si los neutrinos son partículas de Majorana o de Dirac— sigue siendo una cuestión abierta en la física de partículas. Si bien la doble beta desintegración sin neutrinos ( $0\nu\beta\beta$ ) es la principal sonda de baja energía para la Violación del Número Leptónico (LNV) por dos unidades ( $|\Delta L|=2$ ), esta se encuentra limitada al canal de sabor electrónico. El "teorema de la caja negra" establece que cualquier proceso que viole el número leptónico por dos unidades induce necesariamente una masa de Majorana para los neutrinos. Sin embargo, los experimentos de colisionadores ofrecen un alcance más amplio, pudiendo acceder a sabores leptónicos mixtos ( $e^\pm\mu^\pm$ , $\mu^\pm\mu^\pm$ , etc.).

Este artículo investiga las perspectivas de observar firmas de $|\Delta L|=2$ en el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC) dentro de un marco teórico específico: la variante de Leptoquarks (LQ) del Modelo de Zee. En este modelo, las masas de los neutrinos de Majorana surgen radiativamente a nivel de un bucle (one-loop). Los autores pretenden determinar si el contenido de partículas específico y las interacciones de este modelo permiten señales de LNV observables ( $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ ) que sean consistentes con las restricciones experimentales actuales, incluyendo los datos de oscilación de neutrinos, la violación del sabor leptónico cargado (cLFV) y las pruebas de precisión electrodébil, así como las búsquedas existentes de leptoquarks en el LHC.

Metodología
El estudio emplea un análisis fenomenológico exhaustivo que combina el modelado teórico, el mapeo de restricciones y la simulación de colisionadores:

Marco del Modelo: Los autores extienden el Modelo Estándar (SM) introduciendo un leptoquark doblete de $SU(2)_L$ , $\Omega(3, 2, 1/6)$ , y un leptoquark singlete $\chi(3, 1, -1/3)$ . El modelo incluye un acoplamiento trilineal escalar en el potencial de Higgs que induce la mezcla entre los componentes $\omega_{-1/3}$ y $\chi_{-1/3}$ , resultando en autoestados de masa físicos $X_1$ y $X_2$ . Esta mezcla, combinada con interacciones de Yukawa específicas, genera masas de neutrinos a un bucle y facilita procesos de $|\Delta L|=2$ .
Análisis de Restricciones: El espacio de parámetros está rigurosamente restringido por:
- Masas de Neutrinos: Reproducir las diferencias de masa al cuadrado y los ángulos de mezcla observados (asumiendo un ordenamiento normal y una masa más ligera fija $m_1 = 0.04$ eV).
- Observables de Baja Energía: Límites en las desintegraciones que violan el sabor leptónico cargado (por ejemplo, $\mu \to e\gamma$ , $\tau \to \ell\gamma$ ) y la conversión coherente $\mu-e$ en núcleos.
- Precisión Electrodébil: Restricciones sobre los parámetros oblicuos $S$ , $T$ y $U$ , con especial atención a los efectos de ruptura de isospin en $\Delta T$ .
- Límites del LHC: Límites de exclusión existentes para la producción de pares de leptoquarks de la sección eficaz en ATLAS y CMS a $\sqrt{s}=13$ TeV.
Generación de Señal y Simulación:
- Los mecanismos de producción para la firma de LNV $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ se categorizan en tres clases: producción de pares por QCD, producción de pares electrodébil (EW) y producción de leptoquark único.
- Los eventos de señal se simulan utilizando MadGraph5_aMC@NLO interfaseado con Pythia8 para el baño de partículas (parton showering) y hadronización. El modelo se implementa mediante FeynRules.
- Los efectos del detector se simulan usando Delphes3 con una tarjeta de detector por defecto para el HL-LHC.
- Las estimaciones del fondo se derivan de las búsquedas existentes de CMS de dileptones de mismo signo más jets ( $137 \text{ fb}^{-1}$ ) y se reescalan a la luminosidad integrada de $3 \text{ ab}^{-1}$ del HL-LHC.
- Los criterios de selección de eventos incluyen requisitos de $p_T$ de los leptones, multiplicidad de jets, vetoes de masa invariante, energía transverza faltante y la suma escalar de los momentos transversos ( $H_T$ ).

Contribuciones Clave y Resultados

Espacio de Parámetros Permitido: El análisis identifica una región estrecha del espacio de parámetros consistente con todas las restricciones actuales. La restricción más estricta proviene del parámetro oblicuo $\Delta T$ , que obliga a que la división de masa entre los autoestados de leptoquark ( $\Delta m = m_{\omega_{2/3}} - m_{X_1}$ ) sea pequeña. Consecuentemente, los modelos viables requieren masas de leptoquark $m_{LQ} \gtrsim 1.4$ TeV.
Mecanismo de Producción Dominante: El estudio encuentra que la producción de pares por QCD de leptoquarks domina abrumadoramente la sección eficaz de la señal de LNV en comparación con la producción de pares EW y la producción de leptoquark único. Esto se debe a la naturaleza de acoplamiento fuerte de la QCD y las grandes funciones de distribución de partones de gluones. Los canales de producción única están suprimidos por los pequeños acoplamientos de Yukawa requeridos para satisfacer las restricciones de sabor de baja energía.
Sensibilidad del Colisionador:
- El artículo demuestra que el HL-LC de $3 \text{ ab}^{-1}$ puede sondear masas de leptoquark de hasta $m_{LQ} \sim 1.5$ TeV a través del canal $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ .
- Para un punto de referencia representativo ( $m_{\omega_{2/3}} = 1.4$ TeV, $\Delta m = 10$ GeV, $\theta_{LQ} = 0.2$ ), se puede alcanzar una sensibilidad de $2\sigma$ con una luminosidad integrada de aproximadamente $790 \text{ fb}^{-1}$ .
- El análisis confirma que una señal de LNV considerable es compatible con las pequeñas masas de neutrinos observadas en experimentos de oscilación, ya que la sección eficaz de LNV depende principalmente de las masas de los leptoquarks (producción QCD) más que de los acoplamientos de Yukawa que determinan la escala de la masa del neutrino.

Significancia y Reclamaciones
El artículo afirma que la observación de la firma de dileptones de mismo signo más jets en el HL-LHC constituiría evidencia directa de la naturaleza de Majorana de los neutrinos, independiente del mecanismo específico de generación de masa, de acuerdo con el teorema generalizado de la caja negra.

A diferencia de las búsquedas de $0\nu\beta\beta$ , que están restringidas al canal electrónico, este análisis de LHC destaca la capacidad única de los colisionadores para sondear la LNV en canales de sabor leptónico mixto ( $e^\pm\mu^\pm$ ). Los autores concluyen que la variante de leptoquark del Modelo de Zee proporciona un escenario concreto y testeable donde la generación de la masa de neutrinos radiativa está intrínsecamente ligada a firmas de LNV observables a altas energías. El estudio establece que el HL-LHC tiene el potencial de descubrir este mecanismo específico o de restringir significativamente el espacio de parámetros de los modelos de masa de neutrinos radiativa que involucran leptoquarks.

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