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

Da decenni, i fisici sanno che l'universo non è del tutto completo così come si presenta. Il modello standard, la teoria che descrive le particelle fondamentali e le forze della natura, funziona con una precisione sbalorditiva, eppure lascia una lacuna evidente: non riesce a spiegare perché i neutrini, quelle particelle spettrali che attraversano tutto ciò che esiste nel cosmo, abbiano una massa. Il modello originariamente assumeva che fossero privi di peso, ma gli esperimenti hanno confermato che non è così. Questa minuscola discrepanza suggerisce che il modello standard sia solo una visione parziale di una realtà più profonda. Per colmare questa lacuna, gli scienziati hanno proposto l'esistenza di leptoni neutri pesanti, cugini massicci dei familiari neutrini che potrebbero detenere la chiave per comprendere perché l'universo contenga materia. Queste particelle ipotetiche sono predette da teorie che estendono la nostra attuale comprensione, offrendo un meccanismo per generare le piccole masse che osserviamo nei comuni neutrini, nascondendo al contempo le loro controparti più pesanti alla nostra vista.

Al cuore di questo mistero c'è un tipo specifico di particella pesante che si comporta diversamente dalla materia che conosciamo. Mentre le particelle ordinarie hanno identità distinte che impediscono loro di trasformarsi nelle proprie immagini speculari, si teorizza che questi leptoni neutri pesanti siano le proprie antiparticelle. Se una tale particella esistesse, violerebbe una regola fondamentale della natura chiamata conservazione del numero leptonico, un principio che di solito mantiene bilanciato il conteggio di certe particelle in ogni interazione. Trovare prove di questa violazione sarebbe una scoperta monumentale, provando che la natura permette processi che sono strettamente proibiti nei nostri attuali libri di testo. Confermerebbe che queste particelle pesanti esistono e che possono trasformarsi in modi in cui la materia ordinaria non può, spiegando potenzialmente l'origine dello squilibrio tra materia e antimateria nell'universo.

Per dare la caccia a queste particelle elusive, i ricercatori del Large Hadron Collider di Ginevra hanno rivolto la loro attenzione al quark top, la particella elementare più pesante conosciuta. Nel modello standard, un quark top decade quasi sempre in un quark bottom e un bosone W, che poi si frammenta in particelle più leggere. Tuttavia, se i leptoni neutri pesanti esistono, un quark top potrebbe occasionalmente intraprendere un percorso diverso, decadendo in un quark bottom, un leptone carico come un elettrone o un muone, e uno di questi leptoni neutri pesanti. La particella pesante viaggerebbe poi per una breve distanza prima di decadere a sua volta, producendo un altro leptone carico e un bosone W. Poiché la particella pesante è la propria antiparticella, il secondo leptone prodotto avrebbe la stessa carica elettrica del primo. Ciò crea una firma rara e distintiva: due elettroni o due muoni con la stessa carica, che appaiono insieme in un singolo evento di collisione, accompagnati da uno spruzzo di altre particelle.

La collaborazione CMS, un team di migliaia di scienziati che opera un enorme rilevatore al collider, ha analizzato una vasta collezione di collisioni protone-protone per trovare questo schema specifico. Essi setacciano i dati dal 2016 al 2018, corrispondenti a una enorme quantità di informazioni registrate, cercando eventi in cui due particelle della stessa carica e tipo appaiono insieme a getti di energia provenienti da quark decomposti. La sfida è immensa perché il rumore di fondo delle ordinarie interazioni di particelle è travolgente. La maggior parte delle collisioni produce coppie di particelle con cariche opposte, e trovare due particelle della stessa carica indica solitamente un errore di misurazione o un processo noto e raro. Per separare il potenziale segnale da questo rumore, il team ha impiegato un sofisticato algoritmo informatico addestrato a riconoscere le sottili differenze di energia e direzione tra un vero decadimento di particella pesante e un evento di fondo standard.

Dopo aver applicato i loro rigorosi criteri di selezione e aver passato i dati attraverso i loro strumenti di analisi, i ricercatori non hanno trovato prove dei leptoni neutri pesanti che stavano cercando. Il numero di eventi osservati corrispondeva perfettamente alle previsioni per i processi di fondo ordinari. Non c'era alcun eccesso di coppie di leptoni con la stessa carica che potesse essere attribuito al decadimento di un quark top in un leptone neutro pesante. Questo risultato nullo è di per sé un reperto significativo, poiché consente agli scienziati di stabilire confini rigidi su dove queste particelle potrebbero nascondersi. Hanno determinato che, se queste particelle pesanti esistono e vengono prodotte nei decimenti dei quark top, devono essere estremamente rare, verificandosi meno di una volta ogni decine di migliaia di decimenti di quark top.

Lo studio si è concentrato su leptoni neutri pesanti con masse tra 20 e 100 gigaelettronvolt, un intervallo che non era stato esplorato a fondo in questo specifico canale di decadimento in precedenza. Per particelle in questo intervallo di massa, i ricercatori hanno calcolato che la probabilità che un quark top decada in un leptone neutro pesante è limitata a una frazione molto piccola. Nel caso degli elettroni, il decadimento avviene meno di una volta in circa 20.000 o 90.000 decimenti di quark top, a seconda della massa della particella. Per i muoni, il limite è ancora più stretto, con il decadimento che avviene meno di una volta in circa 40.000 o 270.000 decimenti. Questi limiti sono i vincoli più stringenti ad oggi per questo specifico metodo di produzione, escludendo efficacementamente l'esistenza di queste particelle in questo intervallo di massa se fossero prodotte a tassi più elevati.

Sebbene la ricerca non abbia scoperto le particelle pesanti, ha fornito un tassello cruciale del puzzle restringendo lo spazio di ricerca. I risultati dicono che, se questi leptoni neutri pesanti esistono e interagiscono con i quark top nel modo previsto dalla teoria, devono essere ancora più elusivi di quanto precedentemente ipotizzato. I dati concordano con il modello standard, suggerendo che le particelle pesanti, se esistono, non appaiono nei decimenti dei quark top con la frequenza necessaria per spiegare il mistero della massa dei neutrini attraverso questo specifico meccanismo da solo. Ciò costringe i teorici a riconsiderare i parametri dei loro modelli o a cercare queste particelle in altri canali di produzione. Il lavoro è una testimonianza della precisione della moderna fisica delle particelle, dove l'assenza di una scoperta è altrettanto informativa di una scoperta stessa, guidando la comunità scientifica verso i passi successivi per comprendere i blocchi fondamentali dell'universo.