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

Cet article étudie la capacité du LHC à haute luminosité à détecter la violation du nombre leptonique via des signatures de dileptons de même signe plus un jet dans un modèle de masse de neutrino radiatif avec des leptoquarks, concluant qu'il peut sonder des masses de leptoquarks jusqu'à environ 1,5 TeV et établir sans ambiguïté la nature Majorana des neutrinos.

Auteurs originaux : K. S. Babu, Rahool Kumar Barman, Dorival Gonçalves

Publié 2026-09-23

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : K. S. Babu, Rahool Kumar Barman, Dorival Gonçalves

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La nature cache ses secrets les plus profonds dans les plus petites particules. Parmi celles-ci, le neutrino est peut-être la plus insaisissable, une particule fantomatique qui traverse la Terre par les trillions chaque seconde sans laisser de trace. Depuis des décennies, les physiciens savent que les neutrinos possèdent une masse, mais l'origine de cette masse demeure l'un des grands mystères non résolus de la physique moderne. Le modèle standard de la physique des particules, qui décrit avec succès presque tout ce que nous voyons, suggère que les neutrinos devraient être dépourvus de masse. Pour expliquer pourquoi ils en possèdent une, les scientifiques ont proposé que les neutrinos pourraient être leurs propres antiparticules, une propriété connue sous le nom de particules de Majorana. Si cela est vrai, cela signifierait qu'une règle fondamentale de l'univers, appelée la conservation du nombre leptonique, peut être transgressée. Cette violation serait une preuve irréfutable d'une nouvelle physique, révélant un mécanisme qui génère de la masse d'une manière que nous n'avons encore jamais vue.

Une équipe de chercheurs a maintenant porté son attention sur un cadre théorique spécifique qui pourrait expliquer ce mystère tout en offrant un moyen de le tester au collisionneur de particules le plus puissant au monde. Ils se sont concentrés sur un modèle qui remplace les particules habituelles responsables de la génération de la masse des neutrinos par un autre type de particule appelé leptoquark. Contrairement aux particules connues, les leptoquarks sont des objets hypothétiques capables de transformer un quark, qui compose les protons et les neutrons, en un lepton, tel qu'un électron ou un muon. Dans cette version spécifique de la théorie, la masse du neutrino n'est pas créée instantanément mais se construit lentement à travers une boucle complexe d'interactions, un processus qui ne se produit qu'une seule fois dans un sens quantique. Les chercheurs voulaient savoir si cette configuration spécifique pourrait laisser une signature détectable au Grand collisionneur de hadrons (LHC), la machine massive située en Suisse qui fracasse des protons à une vitesse proche de celle de la lumière.

L'équipe, dirigée par des physiciens de l'Université d'État d'Oklahoma et de l'Université de Tokyo, s'est donné pour mission de simuler ce qui se passerait si ces leptoquarks existaient et étaient produits lors des collisions au collisionneur. Ils recherchaient un événement très rare et spécifique : la création de deux particules chargées possédant la même charge électrique, comme deux électrons ou deux muons, apparaissant ensemble avec un jet d'autres particules appelées jets. Dans le monde normal, les particules sont créées par paires avec des charges opposées pour équilibrer les comptes. Trouver deux particules de même charge serait un signe clair que la règle de conservation du nombre leptonique a été rompue de deux unités. C'est exactement le genre d'événement qui établirait de manière non ambiguë que les neutrinos sont leurs propres antiparticules. Les chercheurs ont construit un modèle informatique détaillé de leur théorie, en incorporant toutes les règles connues de la physique des particules et les limites strictes imposées par les expériences précédentes. Ils devaient s'assurer que leur modèle ne contredisait pas les données existantes, telles que les mesures précises de l'oscillation des neutrinos ou le fait que les protons ne se désintègrent pas rapidement.

Après avoir soigneusement cartographié les possibilités autorisées pour la masse et le comportement de ces leptoquarks, l'équipe a lancé des simulations pour voir la fréquence à laquelle ces paires de leptons de même signe apparaîtraient. Ils ont découvert que le moyen le plus probable de produire ce signal est par l'intermédiaire de l'interaction nucléaire forte, qui est la force même qui maintient les noyaux atomiques ensemble. Cette force peut créer des paires de leptoquarks en quantités énormes par rapport à d'autres méthodes. Une fois créées, ces particules lourdes se désintégreraient en la signature de deux leptons de même signe et de jets. Les chercheurs ont ensuite appliqué les critères de sélection stricts utilisés par les principaux détecteurs du collisionneur pour filtrer le bruit de fond et les fausses alarmes. Ils ont calculé combien de ces événements rares seraient visibles si le collisionneur fonctionnait à son plein potentiel futur, connu sous le nom de LHC à haute luminosité (HL-LHC), qui collectera beaucoup plus de données qu'à ce jour.

Les résultats de leur analyse suggèrent que ce type spécifique de leptoquark est à la portée de la prochaine génération d'expériences. Si ces particules existent avec des masses allant jusqu'à environ 1,5 TeV, le HL-LHC devrait être capable de détecter le signal de deux leptons de même signe et de jets avec une grande confiance. Cela confirmerait non seulement l'existence de ces nouvelles particules, mais fournirait également une preuve directe que le nombre leptonique est violé dans la nature. Une telle découverte serait une étape monumentale, confirmant que les neutrinos sont effectivement des particules de Majorana et révélant le mécanisme derrière leurs infimes masses. L'étude démontre que même si les nouvelles particules sont lourdes et que les interactions sont subtiles, la puissance pure du collisionneur, combinée à la signature unique de ce processus, offre une voie claire pour percer l'un des secrets les plus fondamentaux de l'univers.

Résumé Technique : Violation du nombre de leptons au LHC dans les modèles de masse de neutrinos radiatifs avec des leptoquarks

Énoncé du Problème
La nature fondamentale de la masse des neutrinos — spécifiquement pour savoir s'il s'agit de particules de Majorana ou de Dirac — demeure une question ouverte en physique des particules. Bien que la double désintégration bêta sans neutrino ( $0\nu\beta\beta$ ) soit la principale sonde à basse énergie pour la violation du nombre de leptons (LNV) par deux unités ( $|\Delta L|=2$ ), elle est limitée au canal de saveur électronique. Le « théorème de la boîte noire » établit que tout processus violant le nombre de leptons de deux unités induit nécessairement une masse de Majorana pour les neutrinos. Cependant, les expériences de collision offrent un champ d'action plus large, permettant potentiellement d'accéder aux saveurs leptoniques mixtes ( $e^\pm\mu^\pm$ , $\mu^\pm\mu^\pm$ , etc.).

Cet article étudie les perspectives d'observation de signatures de $|\Delta L|=2$ au HL-LHC (LHC à haute luminosité) au sein d'un cadre théorique spécifique : la variante de Leptoquark (LQ) du Modèle de Zee. Dans ce modèle, les masses des neutrinos de Majorana apparaissent de manière radiative au niveau d'une boucle (one-loop). Les auteurs visent à déterminer si le contenu particulaire spécifique et les interactions de ce modèle permettent des signaux de LNV observables ( $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ ) qui soient cohérents avec les contraintes expérimentales actuelles, notamment les données d'oscillation des neutrinos, la violation de la saveur leptonique chargée (cLFV) et les tests de précision électrofaible, ainsi que les recherches existantes sur les leptoquarks au LHC.

Méthodologie
L'étude emploie une analyse phénoménologique complète combinant modélisation théorique, cartographie des contraintes et simulation de collision :

Cadre du Modèle : Les auteurs étendent le Modèle Standard (SM) en introduisant un leptoquark doublet $SU(2)_L$ $\Omega(3, 2, 1/6)$ et un leptoquark singulet $\chi(3, 1, -1/3)$ . Le modèle inclut un couplage scalaire trilinéaire dans le potentiel de Higgs qui induit un mélange entre les composantes $\omega_{-1/3}$ et $\chi_{-1/3}$ , résultant en des états propres de masse physiques $X_1$ et $X_2$ . Ce mélange, combiné à des interactions de Yukawa spécifiques, génère les masses des neutrinos à une boucle et facilite les processus $|\Delta L|=2$ .
Analyse des Contraintes : L'espace des paramètres est rigoureusement contraint par :
- Masses des Neutrinos : Reproduction des différences de masse au carré et des angles de mélange observés (en supposant un ordonnancement normal et une masse la plus légère fixée à $m_1 = 0,04$ eV).
- Observables à Basse Énergie : Limites sur les désintégrations violant la saveur leptonique chargée (par exemple, $\mu \to e\gamma$ , $\tau \to \ell\gamma$ ) et la conversion cohérente $\mu-e$ dans les noyaux.
- Précision Électrofaible : Contraintes sur les paramètres obliques $S$ , $T$ , et $U$ , avec une attention particulière portée aux effets de rupture d'isospin sur $\Delta T$ .
1. Limites du LHC : Limites d'exclusion existantes sur les sections efficaces de production par paire de leptoquarks issues des recherches ATLAS et CMS à $\sqrt{s}=13$ TeV.
Génération de Signal et Simulation :
- Les mécanismes de production pour la signature LNV $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ sont classés en trois catégories : production par paire QCD, production par paire électrofaible (EW) et production de leptoquark simple.
- Les événements de signal sont simulés à l'aide de MadGraph5_aMC@NLO interfacé avec Pythia8 pour le shower de partons et l'hadronisation. Le modèle est implémenté via FeynRules.
- Les effets de détecteur sont simulés à l'aide de Delphes3 avec une carte de détecteur par défaut pour le HL-LHC.
- Les estimations du bruit de fond sont dérivées des recherches existantes du CMS sur les dileptons de même signe plus jets ( $137 \text{ fb}^{-1}$ ) et redimensionnées pour la luminosité intégrée de $3 \text{ ab}^{-1}$ du HL-LHC.
- Les critères de sélection d'événements incluent des exigences sur le $p_T$ des leptons, la multiplicité des jets, les veto de masse invariante, l'énergie transverse manquante et la somme scalaire des impulsions transverses ( $H_T$ ).

Contributions Clés et Résultats

Espace des Paramètres Autorisé : L'analyse identifie une région étroite de l'espace des paramètres cohérente avec toutes les contraintes actuelles. La contrainte la plus stricte provient du paramètre oblique $\Delta T$ , qui impose que l'écart de masse entre les états propres de leptoquark ( $\Delta m = m_{\omega_{2/3}} - m_{X_1}$ ) soit faible. Par conséquent, les modèles viables nécessitent des masses de leptoquark $m_{LQ} \gtrsim 1,4$ TeV.
Mécanisme de Production Dominant : L'étude démontre que la production par paire QCD de leptoquarks domine massivement la section efficace du signal LNV par rapport à la production par paire EW et la production de leptoquark simple. Ceci est dû à la nature de couplage fort de la QCD et aux grandes fonctions de distribution de densité de partons gluons. La production simple est supprimée par les faibles couplages de Yukawa requis pour satisfaire les contraintes de saveur à basse énergie.
Sensibilité du Collisionneur :
- L'article démontre que le HL-LHC ( $3 \text{ ab}^{-1}$ ) peut sonder des masses de leptoquarks allant jusqu'à $m_{LQ} \sim 1,5$ TeV via le canal $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ .
- Pour un point de référence représentatif ( $m_{\omega_{2/3}} = 1,4$ TeV, $\Delta m = 10$ GeV, $\theta_{LQ} = 0,2$ ), une sensibilité à $2\sigma$ est atteignable avec une luminosité intégrée d'environ $790 \text{ fb}^{-1}$ .
- L'analyse confirme qu'un signal LNV considérable est compatible avec les petites masses de neutrinos observées dans les expériences d'oscillation, car la section efficace de LNV dépend principalement des masses des leptoquarks (production QCD) plutôt que des couplages de Yukawa qui déterminent l'échelle de masse des neutrinos.

Signification et Revendications
L'article affirme que l'observation de la signature de même signe de dileptons plus jets au HL-LHC constituerait une preuve directe de la nature de Majorana des neutrinos, indépendamment du mécanisme spécifique de génération de masse, conformément au théorème généralisé de la boîte noire.

Contrairement aux recherches de $0\nu\beta\beta$ qui sont restreintes au canal électronique, cette analyse au LHC souligne la capacité unique des collisionneurs à sonder la LNV dans les canaux de saveur leptonique mixte ( $e^\pm\mu^\pm$ ). Les auteurs concluent que la variante de leptoquark du Modèle de Zee fournit un scénario concret et testable où la génération de la masse des neutrinos par voie radiative est inextricablement liée à des signatures de LNV observables à haute énergie. L'étude établit que le HL-LHC a le potentiel soit de découvrir ce mécanisme spécifique, soit de contraindre significativement l'espace des paramètres des modèles de masse de neutrinos radiatifs impliquant des leptoquarks.

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