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

Depuis des décennies, les physiciens savent que l'univers n'est pas tout à fait complet en l'état actuel. Le modèle standard, la théorie qui décrit les particules fondamentales et les forces de la nature, fonctionne avec une précision stupéfiante, pourtant il laisse une lacune flagrante : il ne peut expliquer pourquoi les neutrinos, ces particules fantomatiques qui traversent tout dans le cosmos, possèdent une masse. Le modèle supposait initialement qu'ils étaient dépourvus de masse, mais les expériences ont confirmé qu'ils ne le sont pas. Cette infime divergence suggère que le modèle standard n'est qu'une vue partielle d'une réalité plus profonde. Pour combler cette lacune, les scientifiques ont proposé l'existence de leptons neutres lourds, des cousins massifs des neutrinos familiers qui pourraient détenir la clé pour comprendre pourquoi l'univers possède de la matière. Ces particules hypothétiques sont prédites par des théories qui étendent notre compréhension actuelle, offrant un mécanisme pour générer les petites masses que nous observons dans les neutrinos ordinaires tout en cachant leurs homologues plus lourds à notre vue.

Au cœur de ce mystère se trouve un type spécifique de particule lourde qui se comporte différemment de la matière que nous connaissons. Alors que les particules ordinaires ont des identités distinctes qui les empêchent de se transformer en leur propre image miroir, ces leptons neutres lourds sont théorisés comme étant leurs propres antiparticules. Si une telle particule existe, elle violerait une règle fondamentale de la nature appelée conservation du nombre leptonique, un principe qui maintient habituellement l'équilibre du compte de certaines particules dans chaque interaction. Trouver la preuve de cette violation serait une découverte monumentale, prouvant que la nature autorise des processus qui sont strictement interdits dans nos manuels actuels. Cela confirmerait que ces particules lourdes existent et qu'elles peuvent se transformer de manières que la matière ordinaire ne peut pas, expliquant potentiellement l'origine du déséquilibre matière-antimatière de l'univers.

Pour traquer ces particules insaisissables, les chercheurs du Grand Collisionneur de Hadrons à Genève ont porté leur attention sur le quark top, la particule élémentaire la plus lourde connue. Dans le modèle standard, un quark top dégénère presque toujours en un quark bottom et un boson W, qui se décompose ensuite en particules plus légères. Cependant, si des leptons neutres lourds existent, un quark top pourrait occasionnellement emprunter un chemin différent, se désintégrant en un quark bottom, un lepton chargé comme un électron ou un muon, et l'un de ces leptons neutres lourds. La particule lourde voyagerait ensuite une courte distance avant de se désintégrer elle-même, produisant un autre lepton chargé et un boson W. Parce que la particule lourde est sa propre antiparticule, le second lepton qu'elle produit aurait la même charge électrique que le premier. Cela crée une signature rare et distinctive : deux électrons ou deux muons de même charge, apparaissant ensemble dans un seul événement de collision, accompagnés d'un jet d'autres particules.

La collaboration CMS, une équipe de milliers de scientifiques opérant un détecteur massif au collisionneur, a analysé une vaste collection de collisions proton-proton pour trouver ce motif spécifique. Ils passent au crible les données de 2016 à 2018, correspondant à une quantité énorme d'informations enregistrées, recherchant des événements où deux particules de même charge et de même type apparaissent aux côtés de jets d'énergie provenant de quarks brisés. Le défi est immense car le bruit de fond des interactions de particules ordinaires est accablant. La plupart des collisions produisent des paires de particules de charges opposées, et trouver deux particules de même charge indique généralement une erreur de mesure ou un processus connu mais rare. Pour séparer le signal potentiel de ce bruit, l'équipe a employé un algorithme informatique sophistiqué entraîné à reconnaître les subtiles différences d'énergie et de direction entre une véritable désintégration de particule lourde et un événement de fond standard.

Après avoir appliqué leurs critères de sélection stricts et passé leurs données au crible de leurs outils d'analyse, les chercheurs n'ont trouvé aucune preuve des leptons neutres lourds qu'ils cherchaient. Le nombre d'événements observés correspondait parfaitement aux prédictions des processus de fond ordinaires. Il n'y avait aucun excès de paires de leptons de même charge qui aurait pu être attribué à la désintégration d'un quark top en un lepton neutre lourd. Ce résultat nul est en soi une découverte significative, car il permet aux scientifiques de fixer des limites strictes sur l'endroit où ces particules pourraient se cacher. Ils ont déterminé que si ces particules lourdes existent et sont produites dans les désintégrations de quarks top, elles doivent être extrêmement rares, se produisant moins d'une fois tous les quelques dizaines de milliers de désintégrations de quarks top.

L'étude s'est concentrée sur des leptons neutres lourds ayant des masses comprises entre 20 et 100 gigaelectronvolts, une plage qui n'avait pas été explorée de manière approfondie dans ce canal de désintégration spécifique auparavant. Pour des particules dans cette gamme de masse, les chercheurs ont calculé que la probabilité qu'un quark top se désintègre en un lepton neutre lourd est limitée à une fraction très faible. Dans le cas des électrons, la désintégration se produit moins d'une fois sur environ 20 000 à 90 000 désintégrations de quarks top, selon la masse de la particule. Pour les muons, la limite est encore plus serrée, avec la désintégration se produisant moins d'une fois sur environ 40 000 à 270 000 désintégrations. Ces limites sont les plus strictes à ce jour pour ce mode de production spécifique, excluant de fait l'existence de ces particules dans cette gamme de masse si elles étaient produites à des taux plus élevés.

Bien que la recherche n'ait pas découvert les particules lourdes, elle a fourni une pièce cruciale du puzzle en rétrécissant l'espace de recherche. Les résultats indiquent que si ces leptons neutres lourds existent et interagissent avec les quarks top de la manière prédite par la théorie, ils doivent être encore plus insaisissables que ce que l'on pensait. Les données concordent avec le modèle standard, suggérant que les particules lourdes, si elles existent, n'apparaissent pas dans les désintégrations de quarks top avec la fréquence requise pour expliquer le mystère de la masse des neutrinos par ce seul mécanisme. Cela force les théoriciens à reconsidérer les paramètres de leurs modèles ou à chercher ces particules dans d'autres canaux de production. Ce travail témoigne de la précision de la physique des particules moderne, où l'absence d'une découverte est tout aussi informative qu'une découverte elle-même, guidant la communauté scientifique vers les prochaines étapes de la compréhension des blocs fondamentaux de l'univers.