Search for heavy neutral leptons in top quark decays with same-sign, same-flavor dilepton final states in proton-proton collisions at = 13 TeV
CMS検出器によって収集された = 13 TeVにおける138 fbの陽子陽子衝突データを用い、本研究では、同一符号・同一フレーバーの二レプトン終状態を介したトップクォーク崩壊におけるマヨラナ重中性レプトンを探索し、標準模型の背景事象に対して有意な超過が観測されなかったことから、関連する分岐比に対して95%信頼区間の上限値を設定する。
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物理学者たちは数十年にわたり、宇宙が現状のままでは完全ではないことを知ってきました。自然界の基本粒子と力を記述する理論である標準模型は、驚異的な精度で機能していますが、そこには明白な空白が残されています。それは、宇宙のあらゆるものを通り抜けていく幽霊のような粒子であるニュートリノが、なぜ質量を持つのかを説明できないという点です。もともと標準模型では、ニュートリノは質量を持たないと想定されていましたが、実験によってそれらが質量を持つことが確認されました。この微小な不一致は、標準模型がより深い現実の断片的な視点に過ぎないことを示唆しています。この空白を埋めるために、科学者たちは重い中性レプトン（既知のニュートリノの重い親戚にあたる粒子）の存在を提唱してきました。これらは、なぜ宇宙に物質が存在するのかを理解するための鍵を握っている可能性があります。これらの仮説上の粒子は、現在の理解を拡張する理論によって予測されており、私たちが観察している通常のニュートリノの小さな質量を生み出すメカニズムを提供すると同時に、そのより重い対となる粒子を私たちの目から隠す役割を果たしています。
この謎の中核にあるのは、私たちが知る物質とは異なる振る舞いをする特定の種類の重い粒子です。通常の粒子は、自分自身の鏡像へと変化することを防ぐ明確なアイデンティティを持っていますが、これらの中性重いレプトンは、自分自身が反粒子であると理論化されています。もしこのような粒子が存在すれば、それは自然界の根本的なルールである「レプトン数保存」に違反することになります。この原理は、通常、あらゆる相互作用において特定の粒子の数を均衡に保つものです。このような違反の証拠を見つけることは、記念碑的な発見となり、自然界が現在の教科書では厳格に禁じられているプロセスを許容していることを証明することになります。それは、これらの重い粒子が存在し、通常の物質には不可能な方法で変容できることを裏付け、宇宙における物質と反物質の不均衡の起源を説明できる可能性があります。
これらの捉えどころのない粒子を探索するために、ジュネーブの大型ハドロン衝突型加速器の研究者たちは、既知の最も重い素粒子であるトップクォークに注目しました。標準模型では、トップクォークはほぼ常にボトムクォークとWボソンへと崩壊し、その後Wボソンはより軽い粒子へと分解されます。しかし、もし重い中性レプトンが存在すれば、トップクォークは時として異なる経路を辿り、ボトムクォーク、電子やミューオンのような荷電レプトン、そしてこれらの一つの中性重いレプトンへと崩壊する可能性があります。この重い粒子は短距離を移動した後に自ら崩壊し、別の荷電レプトンとWボソンを生成します。重い粒子は自分自身の反粒子であるため、それが生成する二番目のレプトンは、最初のレプトンと同じ電気的電荷を持つことになります。これにより、単一の衝突イベントにおいて、同じ電荷を持つ二つの電子または二つのミューオンが、他の粒子の飛散を伴って同時に現れるという、稀で独特なシグネチャが生み出されます。
CMSコラボレーション（巨大な検出器を操作する数千人の科学者のチーム）は、この特定のパターンを見つけ出すために、膨大なプロトン・プロトン衝突のデータを分析しました。彼らは2016年から2018年に対応する、記録された膨大な情報量の中から、同じ電荷と種類の二つの粒子が、崩壊したクォークからのエネルギーの噴流（ジェット）と共に現れるイベントを探し出しました。背景となる通常の粒子相互作用のノイズが圧倒的であるため、課題は極めて困難です。ほとんどの衝突は反対の電荷を持つ粒子のペアを生成するため、同じ電荷のペアが見つかる場合は、通常、測定エラーか、あるいは既知の稀なプロセスを示しています。潜在的な信号をこのノイズから分離するために、チームはエネルギーと方向の微妙な違いを認識するように訓練された高度なコンピュータアルゴリズムを採用しました。
厳格な選択基準を適用し、分析ツールを用いてデータを精査した後、研究者たちは探していた重い中性レプトンの証拠を見つけることはできませんでした。観察されたイベント数は、通常の背景プロセスによる予測と完全に一致していました。トップクォークが重い中性レプトンへと崩壊することに起因する、同電荷のレプトン対の過剰は見られませんでした。この「結果なし（null result）」という結果自体も重要な発見であり、科学者たちがこれらの粒子がどこに隠れているのかについて、厳格な境界線を引くことを可能にします。彼らは、もしこれらの重い粒子が存在し、トップクォークの崩壊によって生成されるのであれば、それは極めて稀であり、数万回のトップクォーク崩壊につき一度未満でなければならないことを突き止めました。
この研究は、質量が20から100ギガ電子ボルトの範囲にある重い中性レプトンに焦点を当てました。この質量範囲は、この特定の崩壊チャネルにおいてはこれまで徹底的に調査されていませんでした。この質量範囲の粒子について、研究者たちは、トップクォークが重い中性レプトンへと崩壊する確率は非常に限定されていると算出しました。電子の場合、その崩壊は粒子の質量に応じて約20,000回から90,000回のトップクォーク崩壊につき一度未満で起こります。ミューオンの場合、その制限はさらに厳しく、崩壊は約40,000回から270,000回の崩壊につき一度未満となります。これらの限界値は、この特定の生成方法における現時点での最も厳しい制約であり、もしこれらの粒子が高い頻度で生成されているのであれば、その存在を事実上否定するものです。
この探索によって重い粒子が発見されることはありませんでしたが、探索範囲を狭めることで、重要なパズルのピースを提供しました。結果は、もしこれらの重い中性レプトンが存在し、理論が予測するようにトップクォークと相互作用するのであれば、それらは以前考えられていたよりもさらに捉えがたいものであることを示しています。データは標準模型と一致しており、もしこれらの重い粒子が存在するとしても、この特定のメカニズムを通じてニュートリノの質量問題を説明するのに必要な頻度でトップクォークの崩壊には現れないことを示唆しています。これは、理論家たちに対し、モデルのパラメータを再考するか、あるいは他の生成チャネルにおいてこれらの粒子を探すことを強いるものです。この研究は、発見の不在が発見と同じくらい有益な情報となり、科学コミュニティを宇宙の基本構成要素を理解するための次のステップへと導くという、現代の粒子物理学の精密さの証となっています。
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