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

Durante décadas, los físicos han sabido que el universo no está del todo completo tal como se presenta. El modelo estándar, la teoría que describe las partículas fundamentales y las fuerzas de la naturaleza, funciona con una precisión asombrosa, pero deja un vacío evidente: no puede explicar por qué los neutrinos, esas partículas fantasmales que atraviesan todo en el cosmos, tienen masa. El modelo asumía originalmente que carecían de peso, pero los experimentos han confirmado que no es así. Esta pequeña discrepancia sugiere que el modelo estándar es meramente una visión parcial de una realidad más profunda. Para llenar este vacío, los científicos han propuesto la existencia de leptones neutros pesados, primos masivos de los neutrinos familiares que podrían poseer la clave para comprender por qué el universo posee materia. Estas partículas hipotéticas están predichas por teorías que extienden nuestra comprensión actual, ofreciendo un mecanismo para generar las pequeñas masas que observamos en los neutrinos ordinarios mientras ocultan a sus contrapartes más pesadas de nuestra vista.

En el corazón de este misterio se encuentra un tipo específico de partícula pesada que se comporta de manera diferente al la materia que conocemos. Mientras que las partículas ordinarias tienen identidades distintas que les impiden convertirse en su propia imagen especular, se teoriza que estos leptones neutros pesados son sus propias antipartículas. Si tal partícula existiera, violaría una regla fundamental de la naturaleza llamada conservación del número leptónico, un principio que usualmente mantiene el recuento de ciertas partículas equilibrado en cada interacción. Encontrar evidencia de esta violación sería un descubrimiento monumental, demostrando que la naturaleza permite procesos que están estrictamente prohibidos en nuestros libros de texto actuales. Confirmaría que estas partículas pesadas existen y que pueden transformarse de maneras en que la materia ordinaria no puede, explicando potencialmente el origen del desequilibrio entre materia y antimateria en el universo.

Para cazar estas partículas elusivas, los investigadores del Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra dirigieron su atención al quark cima (top quark), la partícula elemental más pesada conocida. En el modelo estándar, un quark cima casi siempre decae en un quark fondo (bottom quark) y un bosón W, que luego se descompone en partículas más ligeras. Sin embargo, si existen leptones neutros pesados, un quark cima podría ocasionalmente tomar un camino diferente, decayendo en un quark fondo, un leptón cargado como un electrón o un muón, y uno de estos leptones neutros pesados. La partícula pesada viajaría entonces una corta distancia antes de decaer ella misma, produciendo otro leptón cargado y un bosón W. Debido a que la partícula pesada es su propia antipartícula, el segundo leptón que produce tendría la misma carga eléctrica que el primero. Esto crea una firma rara y distintiva: dos electrones o dos muones con la misma carga, apareciendo juntos en un solo evento de colisión, acompañados por una ráfaga de otras partículas.

La colaboración CMS, un equipo de miles de científicos que operan un detector masivo en el colisionador, analizó una vasta colección de colisiones protón-protón para encontrar este patrón específico. Examinan datos de 2016 a 2018, lo que corresponde a una enorme cantidad de información registrada, buscando eventos donde dos partículas de la misma carga y tipo aparecen junto a chorros (jets) de energía de quarks descompuestos. El desafío es inmenso porque el ruido de fondo de las interacciones de partículas ordinarias es abrumador. La mayoría de las colisiones producen pares de partículas con cargas opuestas, y encontrar dos de la misma carga suele indicar un error de medición o un proceso raro ya conocido. Para separar la señal potencial de este ruido, el equipo empleó un sofisticado algoritmo computacional entrenado para reconocer las sutiles diferencias en la energía y la dirección entre una verdadera desintegración de partícula pesada y un evento de fondo estándar.

Tras aplicar sus estrictos criterios de selección y procesar los datos a través de sus herramientas de análisis, los investigadores no encontraron evidencia de los leptones neutros pesados que buscaban. El número de eventos observados coincidió perfectamente con las predicciones de los procesos de fondo ordinarios. No hubo un exceso de pares de leptones de la misma carga que pudiera atribuirse a la desintegración de un quark cima en un leptón neutro pesado. Este resultado nulo es un hallazgo significativo en sí mismo, ya que permite a los científicos establecer límites estrictos sobre dónde podrían estar escondiéndose estas partículas. Determinaron que, si estas partículas pesadas existen y se producen en las desintegraciones de quarks cima, deben ser extremadamente raras, ocurriendo menos de una vez en cada decenas de miles de desintegraciones de quark cima.

El estudio se centró en leptones neutros pesados con masas entre 20 y 100 gigaelectrónvoltios, un rango que no había sido explorado exhaustivamente en este canal de desintegración específico anteriormente. Para partículas en este rango de masa, los investigadores calcularon que la probabilidad de que un quark cima decaiga en un leptón neutro pesado está limitada a una fracción muy pequeña. En el caso de los electrones, la desintegración ocurre menos de una vez en aproximadamente cada 20,000 a 90,000 desintegraciones de quark cima, dependiendo de la masa de la partícula. Para los muones, el límite es aún más estricto, con la desintegración ocurriendo menos de una vez en aproximadamente cada 40,000 a 270,000 desintegraciones. Estos límites son las restricciones más estrictas hasta la fecha para este método de producción específico, descartando efectivamente la existencia de estas partículas en este rango de masa si fueran producidas a tasas más altas.

Aunque la búsqueda no descubrió las partículas pesadas, proporcionó una pieza crucial del rompecabezas al estrechar el espacio de búsqueda. Los resultados nos dicen que, si estos leptones neutros pesados existen e interactúan con los quarks cima de la manera que la teoría predice, deben ser aún más elusivos de lo que se pensaba anteriormente. Los datos concuerdan con el modelo estándar, sugiriendo que las partículas pesadas, si existen, no aparecen en las desintegraciones de quarks cima con la frecuencia requerida para explicar el misterio de la masa de los neutrinos a través de este mecanismo específico por sí solo. Esto obliga a los teóricos a reconsiderar los parámetros de sus modelos o a buscar estas partículas en otros canales de producción. El trabajo es un testimonio de la precisión de la física de partículas moderna, donde la ausencia de un descubrimiento es tan informativa como un descubrimiento mismo, guiando a la comunidad científica hacia los siguientes pasos para comprender los componentes fundamentales del universo.