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

Questo articolo investiga il potenziale dell'HL-LHC (High-Luminosity LHC) nel rilevare la violazione del numero leptonico attraverso firme di dileptoni con segno uguale più jet in un modello di massa radiativa dei neutrini con leptoquark, riscontrando che può sondare masse dei leptoquark fino a circa 1,5 TeV e stabilire in modo univoco la natura Majorana dei neutrini.

Autori originali: K. S. Babu, Rahool Kumar Barman, Dorival Gonçalves

Pubblicato 2026-09-23

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CC BY 4.0

Autori originali: K. S. Babu, Rahool Kumar Barman, Dorival Gonçalves

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La natura nasconde i suoi segreti più profondi nelle particelle più piccole. Tra queste, il neutrino è forse la più elusiva, una particella fantasma che attraversa la Terra per trilioni ogni secondo senza lasciare traccia. Per decenni, i fisici hanno saputo che i neutrini hanno una massa, ma l'origine di tale massa rimane uno dei grandi misteri irrisolti della fisica moderna. Il modello standard della fisica delle particelle, che descrive con successo quasi tutto ciò che vediamo, suggerisce che i neutrini dovrebbero essere privi di massa. Per spiegare perché abbiano una massa, gli scienziati hanno ipotizzato che i neutrini possano essere le proprie antiparticelle, una proprietà nota come essere particelle di Majorana. Se ciò fosse vero, significherebbe che una regola fondamentale dell'universo, chiamata conservazione del numero leptonico, può essere violata. Questa violazione sarebbe la prova schiacciante di una nuova fisica, rivelando un meccanismo che genera massa in un modo che non abbiamo mai visto prima.

Un team di ricercatori ha ora rivolto la propria attenzione a un particolare quadro teorico che potrebbe spiegare questo mistero offrendo al contempo un modo per testarlo nel collisore di particelle più potente del mondo. Si sono concentrati su un modello che sostituisce le solite particelle responsabili della generazione della massa del neutrino con un tipo diverso di particella chiamato leptoquark. A differenza delle particelle note, i leptoquark sono oggetti ipotetici che possono trasformare un quark, che costituisce protoni e neutroni, in un leptone, come un elettrone o un muone. In questa specifica versione della teoria, la massa del neutrino non viene creata istantaneamente, ma si costruisce lentamente attraverso un complesso ciclo di interazioni, un processo che avviene una sola volta in senso quantistico. I ricercatori volevano sapere se questa specifica configurazione potesse lasciare una firma rilevabile al Large Hadron Collider, la mastodontica macchina in Svizzera che fa scontrare protoni a velocità quasi pari a quella della luce.

Il team, guidato da fisici della Oklahoma State University e dell'Università di Tokyo, si è dato il compito di simulare cosa accadrebbe se questi leptoquark esistessero e venissero prodotti nelle collisioni al collisore. Cercavano un evento molto raro e specifico: la creazione di due particelle cariche con la stessa carica elettrica, come due elettroni o due muoni, che appaiono insieme a una raffica di altre particelle chiamate jet. Nel mondo normale, le particelle vengono create in coppie con cariche opposte per bilanciare i conti. Trovare due particelle con la stessa carica sarebbe un segno chiaro che la regola della conservazione del numero leptonico è stata violata di due unità. Questo è esattamente il tipo di evento che stabilirebbe in modo inequivocabile che i neutrini sono le proprie antiparticelle. I ricercatori hanno costruito un modello informatico dettagliato della loro teoria, incorporando tutte le regole note della fisica delle particelle e i severi limiti stabiliti dagli esperimenti precedenti. Dovevano assicurarsi che il loro modello non contraddicesse i dati esistenti, come le precise misurazioni di come i neutrini oscillano o il fatto che i protoni non decadono rapidamente.

Dopo aver mappato attentamente le possibilità consentite per la massa e il comportamento di questi leptoquark, il team ha eseguito simulazioni per vedere quanto spesso apparirebbero queste coppie di particelle con la stessa carica. Hanno scoperto che il modo più probabile per produrre questo segnale è attraverso la forza nucleare forte, che è la stessa forza che tiene uniti i nuclei atomici. Questa forza può creare coppie di leptoquark in numeri enormi rispetto ad altri metodi. Una volta creati, queste particelle pesanti decadrebbero nella firma di due leptoni con la stessa carica e jet. I ricercatori hanno poi applicato i rigorosi criteri di selezione utilizzati dai principali detector al collisore per filtrare il rumore di fondo e i falsi allarmi. Hanno calcolato quanti di questi rari eventi sarebbero visibili se il collisore operasse al suo pieno potenziale futuro, noto come High-Luminosity LHC, che raccoglierà una quantità di dati vastamente superiore rispetto a quanto abbia fatto finora.

I risultati della loro analisi suggeriscono che questo specifico tipo di leptoquark è alla portata della prossima generazione di esperimenti. Se queste particelle esistono con masse fino a circa 1,5 TeV, l'High-Luminosity LHC dovrebbe essere in grado di rilevare il segnale di due leptoni con la stessa carica e jet con alta confidenza. Ciò non solo confermerebbe l'esistenza di queste nuove particelle, ma fornirebbe anche la prova diretta che il numero leptonico è violato in natura. Una tale scoperta sarebbe un passo monumentale in avanti, confermando che i neutrini sono effettivamente particelle di Majorana e rivelando il meccanismo dietro le loro minuscole masse. Lo studio dimostra che anche se le nuove particelle sono pesanti e le interazioni sono sottili, la pura potenza del collisore, combinata con la firma unica di questo processo, offre una via chiara per svelare uno dei segreti più fondamentali dell'universo.

Sintesi Tecnica: Violazione del Numero Leptonico all'LHC in Modelli di Massa dei Neutrini Radiativi con Leptoquark

Problematica
La natura fondamentale della massa dei neutrini — specificamente se i neutrini siano particelle Majorana o Dirac — rimane una questione aperta nella fisica delle particelle. Sebbene il decadimento doppio beta senza neutrini ( $0\nu\beta\beta$ ) sia la principale sonda a bassa energia per la Violazione del Numero Leptonico (LNV) di due unità ( $|\Delta L|=2$ ), esso è limitato al canale del flavore elettronico. Il "teorema della scatola nera" stabilisce che qualsiasi processo che violi il numero leptonico di due unità induce necessariamente una massa Majorana per i neutrini. Tuttavia, gli esperimenti di collisione offrono un ambito più ampio, potendo accedere a sapori leptonici misti ( $e^\pm\mu^\pm$ , $\mu^\pm\mu^\pm$ , ecc.).

Questo articolo investiga le prospettive di osservazione di firme $|\Delta L|=2$ all'HL-LHC (High-Luminosity LHC) all'interno di un quadro teorico specifico: la variante con Leptoquark (LQ) del Modello di Zee. In questo modello, le masse dei neutrini Majorana sorgono radiativamente al livello di un loop (one-loop). Gli autori mirano a determinare se il contenuto particellare specifico e le interazioni di questo modello permettano segnali di LNV osservabili ( $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ ) che siano coerenti con i vincoli sperimentali attuali, inclusi i dati delle oscillazioni dei neutrini, la violazione del flavore leptonico carico (cLFV) e i test di precisione elettrodebole.

Metodologia
Lo studio impiega un'analisi fenomenologica completa che combina modellazione teorica, mappatura dei vincoli e simulazione di collisioni:

Framework del Modello: Gli autori estendono il Modello Standard (SM) introducendo un leptoquark di doppietto $SU(2)_L$ , $\Omega(3, 2, 1/6)$ , e un leptoquark singoletto $\chi(3, 1, -1/3)$ . Il modello include un accoppiamento scalare trilineare nel potenziale di Higgs che induce il mixing tra le componenti $\omega_{-1/3}$ e $\chi_{-1/3}$ , risultando in autostati di massa fisici $X_1$ e $X_2$ . Questo mixing, combinato con specifiche interazioni Yukawa, genera masse dei neutrini al livello di un loop e facilita processi $|\Delta L|=2$ .
Analisi dei Vincoli: Lo spazio dei parametri è rigorosamente vincolato da:
- Masse dei Neutrini: Riproduzione delle differenze di massa al quadrato e degli angoli di miscelazione osservati (assumendo l'ordinamento normale e una massa più leggera fissata $m_1 = 0.04$ eV).
- Osservabili a Bassa Energia: Limiti sui decadimenti che violano il flavore leptonico carico (ad esempio, $\mu \to e\gamma$ , $\tau \to \ell\gamma$ ) e la conversione coerente $\mu-e$ nei nuclei.
- Precisione Elettrodebole: Vincoli sui parametri obliqui $S$ , $T$ e $U$ , con particolare attenzione agli effetti di rottura dell'isospin su $\Delta T$ .
- Limiti LHC: Esistenti limiti di esclusione sulle sezione d'urto di produzione di coppie di leptoquark da parte di ATLAS e CMS a $\sqrt{s}=13$ TeV.
Generazione del Segnale e Simulazione:
- I meccanismi di produzione per la firma LNV $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ sono categorizzati in tre classi: produzione di coppie tramite QCD, produzione di coppie elettrodebole (EW) e produzione di singolo leptoquark.
- Gli eventi di segnale sono simulati utilizzando MadGraph5_aMC@NLO interfacciato con Pythia8 per lo shower partellare e l'hadronizzazione. Il modello è implementato tramite FeynRules.
- Gli effetti del rivelatore sono simulati usando Delphes3 con una default HL-LHC detector card.
- Le stime del background derivano dalle esistenti ricerche CMS di same-sign dilepton plus jets ( $137 \text{ fb}^{-1}$ ) e sono riscalate alla luminosità integrata di $3 \text{ ab}^{-1}$ dell'HL-LHC.
- I criteri di selezione degli eventi includono requisiti sulla $p_T$ dei leptoni, molteplicità di jet, veto sulla massa invariante, energia trasversa mancante e la somma scalare delle quantità di moto trasverse ( $H_T$ ).

Contributi Chiave e Risultati

Spazio dei Parametri Consentito: L'analisi identifica una stretta regione dello spazio dei parametri coerente con tutti i vincoli attuali. Il vincolo più stringente deriva dal parametro obliquo $\Delta T$ , che impone che la separazione di massa tra gli autostati dei leptoquark ( $\Delta m = m_{\omega_{2/3}} - m_{X_1}$ ) sia piccola. Di conseguenza, i modelli viabili richiedono masse dei leptoquark $m_{LQ} \gtrsim 1.4$ TeV.
Meccanismo di Produzione Dominante: Lo studio rileva che la produzione di coppie tramite QCD dei leptoquark domina in modo schiacciante la sezione d'urto del segnale LNV rispetto alla produzione di coppie EW e alla produzione di singolo leptoquark. Ciò è dovuto alla natura dell'accoppiamento forte della QCD e alle grandi funzioni di distribuzione partellare dei gluoni. La produzione singola è soppressa dai piccoli accoppiamenti Yukawa richiesti per soddisfare i vincoli di flavore a bassa energia.
Sensibilità del Collider:
- L'articolo dimostra che l'HL-LHC ( $3 \text{ ab}^{-1}$ ) può sondare masse dei leptoquark fino a $m_{LQ} \sim 1.5$ TeV tramite il canale $pp \to \ell^\pm\ell'^\pm + \text{jets}$ .
- Per un punto di benchmark rappresentativo ( $m_{\omega_{2/3}} = 1.4$ TeV, $\Delta m = 10$ GeV, $\theta_{LQ} = 0.2$ ), una sensibilità a $2\sigma$ è raggiungibile con una luminosità integrata di circa $790 \text{ fb}^{-1}$ .
- L'analisi conferma che un segnale LNV consistente è compatibile con le piccole masse dei neutrini osservate negli esperimenti di oscillazione, poiché la sezione d'urto LNV dipende principalmente dalle masse dei leptoquark (produzione QCD) piuttosto che dagli accoppiamenti Yukawa che determinano la scala della massa dei neutrini.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo afferma che l'osservazione della firma di dileptonos con segno uguale più jets all'HL-LHC costituirebbe evidenza diretta della natura Majorana dei neutrini, indipendentemente dal meccanismo specifico di generazione della massa, in accordo con il teorema generalizzato della scatola nera.

A differenza delle ricerche $0\nu\beta\beta$ che sono limitate al canale elettronico, questa analisi LHC evidenzia la capacità unica dei collider di sondare la LNV nei canali di flavore leptonico misto ( $e^\pm\mu^\pm$ ). Gli autori concludono che la variante con leptoquark del Modello di Zee fornisce uno scenario concreto e testabile in cui la generazione della massa dei neutrini radiativa è intrinsecamente legata a firme di LNV osservabili ad alte energie. Lo studio stabilisce che l'HL-LHC ha il potenziale per scoprire questo specifico meccanismo o per vincolare significativamente lo spazio dei parametri dei modelli di massa radiativa dei neutrini coinvolgendo i leptoquark.

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