Probing Heavy Neutral Leptons through New Gauge Interactions at the Forward Physics Facilities

Diep in de subatomaire wereld hebben natuurkundigen lang vermoed dat het Standaardmodel, onze beste kaart van hoe materie en krachten interageren, een cruciaal stuk mist. Dit ontbrekende stuk is een familie deeltjes die bekend staan als zware neutrale leptonen. In tegenstelling tot de bekende elektronen en protonen waar atomen uit bestaan, zijn deze deeltjes onzichtbaar voor de meeste detectoren omdat ze geen elektrische lading dragen en zelden interageren met gewone materie. Er wordt theoretisch vanuit gegaan dat zij de zware neven zijn van de neutrino's, de spookachtige deeltjes die elke seconde biljoenen door de aarde stromen. Als deze zware neutrale leptonen bestaan, zouden ze kunnen verklaren waarom neutrino's massa hebben en zouden ze zelfs de sleutel kunnen bevatten tot het begrijpen van de mysterieuze donkere materie die het universum vult. Omdat ze echter zo ongrijpbaar en zwaar zijn, vereist het vinden ervan kijken naar zeer specifieke plaatsen en het gebruik van zeer slimme trucs om ze te vangen voordat ze verdwijnen.

Een team onderzoekers heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om naar deze deeltjes te zoeken met de Large Hadron Collider, de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, gelegen op de grens van Frank en Zwitserland. In plaats van te zoeken naar de creatie van deze deeltjes op de gebruikelijke manier, wat extreem zeldzaam is, suggereren de wetenschappers dat een nieuwe, onzichtbare kracht als een productielijn zou kunnen fungeren, die zware neutrale leptonen in grote aantallen produceert. Deze nieuwe kracht zou gedragen worden door een zwaar deeltje genaamd een Z-prime, die fungeert als een bemiddelaar die de zware leptonen verbindt met de protonen die in de collider op elkaar botsen. Eenmaal gecreëerd, zouden deze zware leptonen een lange afstand afleggen voordat ze vervallen, of uiteenvallen, in zichtbare deeltjes die detectoren kunnen zien. De onderzoekers richtten hun studie op de far-forward regio van de collider, een smalle tunnel die honderden meters verwijderd is van het hoofdbotsingspunt, waar een reeks experimenten bekend als FASER en zijn toekomstige, grotere opvolgers wachten om deze vluchtige signalen op te vangen.

De studie, die steunt op gedetailleerde computersimulaties, onthult dat deze nieuwe productiemethode een uitgestrekt, voorheen onverkend gebied kan openen in de zoektocht naar zware neutrale leptonen. In de traditionele visie hangt het creëren van deze deeltjes volledig af van een zeer zwakke verbinding tussen hen en gewone neutrino's, een proces dat zo zeldzaam is dat detectie voor veel soorten deze deeltjes bijna onmogelijk maakt. Het nieuwe voorstel verandert het spel door een tweede, sterkere interactie te introduceren die de deeltjes in overvloed creëert, terwijl de zwakke verbinding nog steeds bepaalt hoe ze uiteindelijk vervallen. Deze scheiding zorgt ervoor dat de detectoren een veel groter aantal gebeurtenissen kunnen zien dan voorheen mogelijk werd geacht. De onderzoekers ontdekten dat door te zoeken naar specifieke vervalpatronen, zoals de zware leptonen die veranderen in paren elektronen, muon of neutrale deeltjes die splitsen in licht, het huidige FASER-experiment al tekenen van deze deeltjes zou kunnen zien.

Het potentieel voor ontdekking groeit aanzienlijk wanneer het team vooruit keek naar het High-Luminosity tijdperk van de collider, waarin de machine met veel grotere intensiteit zal draaien. Hun simulaties laten zien dat de voorgestelde opvolgers, FASER2 en FASERν2, regio's van de eigenschappen van het deeltje kunnen verkennen die nog nooit eerder zijn getest. Deze toekomstige detectoren zijn ontworpen om veel groter te zijn en zich verder stroomafwaarts in de straallijn te bevinden, waardoor ze deeltjes kunnen opvangen die langere afstanden afleggen. De studie geeft aan dat wetenschappers met deze geüpgradede faciliteiten potentieel het exacte bereik van eigenschappen kunnen bereiken die worden voorspeld door de meest populaire theorieën die verklaren waarom neutrino's massa hebben. Dit zou betekenen dat de far-forward experimenten eindelijk de "canonieke" idee kunnen testen over hoe deze zware deeltjes in het universum passen, een doel dat decennialang buiten bereik was gebleven.

De onderzoekers onderzochten drie verschillende versies van deze nieuwe kracht, elk met iets andere regels voor hoe het interageert met de deeltjes in het Standaardmodel. In één scenario verbindt de kracht zich gelijkmatig met alle materie; in een ander geeft het de voorkeur aan interactie met het zwaarste type lepton, de tau; en in een derde spreekt het alleen met de bouwstenen van protonen en neutronen, waarbij het lichtere elektronen en muonen volledig negeert. Door simulaties voor elk van deze scenario's uit te voeren, bracht het team precies in kaart waar de experimenten gevoelig voor zouden zijn. Ze ontdekten dat de nieuwe productiemechanisme het beste werkt voor deeltjes met massa's variërend van enkele honderd miljoen elektronvolt tot enkele miljard elektronvolt. Dit massabereik is bijzonder interessant omdat het zich in een gat bevindt waar veel eerdere experimenten moeite mee hadden gehad om te kijken.

Een essentieel onderdeel van de studie betrof het begrijpen van de exacte plek waar deze deeltjes worden geboren. Terwijl de hoofdcollisies in het centrum van de collider het overgrote deel van het signaal produceren, overwoogen de onderzoekers ook een secundaire bron. Terwijl de bundel protonen door de machine reist, botst deze tegen een blok dicht materiaal dat is ontworpen om rondvliegende deeltjes te stoppen. Deze impact creëert een stortvloed van secundaire neutronen en andere deeltjes die ook de zware leptonen kunnen produceren. De simulaties toonden aan dat hoewel deze secundaire bron wel degelijk bijdraagt, de primaire botsingen in het hart van de collider de dominante bron van het signaal zijn. Dit bevestigt dat de meest krachtige manier om deze deeltjes te vinden is door te kijken naar het puin van de hoofdbotsing, in plaats naar de secundaire interacties verder stroomafwaarts.

De onderzoekers hielden ook zorgvuldig rekening met de verschillende manieren waarop deze zware leptonen kunnen vervallen binnen de detector. Ze zochten naar signaturen waarbij het deeltje verandert in een neutrino en een paar geladen deeltjes, of een neutrino en een neutraal deeltje dat onmiddellijk splitst in twee bundels licht. Ze keken ook naar vervallen waarbij het zware lepton transformeert in een geladen deeltje en een spray van andere hadronen, wat deeltjes zijn die uit quarks zijn opgebouwd. Door te berekenen hoe vaak deze gebeurtenissen zouden plaatsvinden en hoe goed de detectoren ze van achtergrondruis konden onderscheiden, bepaalde het team de limieten van wat elk experiment kon bereiken. Ze kwamen tot de conclusie dat de detectoren in staat zijn om bijna alle achtergrondruis weg te filteren, waardoor een schoon signaal overblijft als de zware leptonen bestaan.

De resultaten van deze studie suggereren dat het far-forward physics programma uniek gepositioneerd is om een nieuwe klasse theorieën te verkennen. In tegenstelling tot andere zoektochten die vertrouwen op een enkele, zwakke interactie om zowel het deeltje te creëren als te vernietigen, gebruikt deze aanpak een sterke kracht om het deeltje te creëren en een zwakke kracht om het te vernietigen. Deze scheiding is de sleutel tot de verhoogde gevoeligheid. De simulaties tonen aan dat de komende experimenten mixing-sterktes kunnen bereiken die overeenkomen met de voorspellingen voor de oorsprong van neutrino-massa voor alle drie de typen neutrino's. Dit is een belangrijke prestatie omdat het betekent dat de experimenten de meest fundamentele verklaring voor waarom neutrino's massa hebben, kunnen testen, een vraagstuk dat natuurkundigen al decennia bezighoudt.

De studie concludeert dat de combinatie van het nieuwe productiemechanisme en de unieke geometrie van de forward detectoren een krachtig nieuw venster biedt op de subatomaire wereld. Door te focussen op de forward richting, waar deeltjes in een nauwe bundel reizen, en door gebruik te maken van de hoge energie van de collider, kan het FASER-programma een parameterrum bereiken dat complementair is aan andere zoektochten. De bevindingen bieden een sterke motivatie voor de constructie van de grotere, gevoeliger detectoren die gepland zijn voor het High-Luminosity tijdperk. Als deze zware neutrale leptonen bestaan binnen het onderzochte massabereik, zouden de volgende generaties experimenten wel eens degenen kunnen zijn die ze eindelijk onthullen, waarmee een blik wordt geworpen op de fysica die achter ons huidige begrip van het universum ligt.