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

Decennialang wisten natuurkundigen al dat het universum in zijn huidige vorm niet volledig is. Het standaardmodel, de theorie die de fundamentele deeltjes en krachten van de natuur beschrijft, werkt met verbazingwekkende precisie, maar laat een schrijnende leemte achter: het kan niet verklaren waarom neutrino's, die spookachtige deeltjes die overal in het kosmos doorheen stromen, massa hebben. Het model ging oorspronkelijk ervan uit dat ze gewichtloos waren, maar experimenten hebben bevestigd dat dat niet zo is. Deze kleine discrepantie suggereert dat het standaardmodel slechts een gedeeltelijk beeld is van een diepere realiteit. Om deze leemte te vullen, hebben wetenschappers de existentie van zware neutrale leptonen voorgesteld, massieve neven van de bekende neutrino's die de sleutel kunnen bevatten tot het begrijpen van waarom het universum überhaupt materie heeft. Deze hypothetische deeltjes worden voorspeld door theorieën die ons huidige begrip uitbreiden, en bieden een mechanisme om de kleine massa's die we bij gewone neutrino's waarnemen te genereren, terwijl ze hun zwaardere tegenhangers voor ons zicht verbergen.

In het hart van dit mysterie ligt een specifiek type zwaar deeltje dat zich anders gedraagt dan de materie die wij kennen. Terwijl gewone deeltjes een duidelijke identiteit hebben die voorkomt dat ze in hun eigen spiegelbeeld veranderen, wordt er theoretisch gesteld dat deze zware neutrale leptonen hun eigen antideeltjes zijn. Als een dergelijk deeltje bestaat, zou het een fundamentele regel van de natuur schenden genaamd de conservering van het leptonental, een principe dat normaal gesproken de telling van bepaalde deeltjes in elke interactie in evenwicht houdt. Het vinden van bewijs voor deze schending zou een monumentale ontdekking zijn, die bewijst dat de natuur processen toestaat die strikt verboden zijn in onze huidige tekstboeken. Het zou bevestigen dat deze zware deeltjes bestaan en dat ze kunnen transformeren op manieren die gewone materie niet kan, wat potentieel de oorsprong van de materie-antimaterie-onbalans in het universum kan verklaren.

Om deze ongrijpbare deeltjes op te sporen, richtten onderzoekers bij de Large Hadron Collider in Genève hun aandacht op het topquark, het zwaarst bekende elementaire deeltje. In het standaardmodel vervalt een topquark bijna altijd in een bottomquark en een W-boson, dat vervolgens uiteenvalt in lichtere deeltjes. Echter, als zware neutrale leptonen bestaan, zou een topquark incidenteel een ander pad kunnen kiezen, waarbij het vervalt in een bottomquark, een geladen lepton zoals een elektron of muon, en een van deze zware neutrale leptonen. Het zware deeltje zou dan een korte afstand afleggen voordat het zelf vervalt, waarbij het een ander geladen lepton en een W-boson produceert. Omdat het zware deeltje zijn eigen antideeltje is, zou het tweede lepton dat het produceert dezelfde elektrische lading hebben als het eerste. Dit creëert een zeldzame en kenmerkende handtekening: twee elektronen of twee muonen met dezelfde lading, die samen verschijnen in een enkele botsingsgebeurtenis, vergezeld door een spray van andere deeltjes.

De CMS-collaboratie, een team van duizenden wetenschappers dat een enorme detector bij de collider bedient, analyseerde een enorme collectie proton-protonbotsingen om dit specifieke patroon te vinden. Ze zoeken door gegevens van 2016 tot 2018, wat overeenkomt met een enorme hoeveelheid geregistreerde informatie, op zoek naar gebeurtenissen waar twee deeltjes van dezelfde lading en type verschijnen naast jets van energie van uiteengevallen quarks. De uitdaging is immens omdat de achtergrondruis van gewone deeltjesinteracties overweldigend is. De meeste botsingen produceren paren deeltjes met tegengestelde ladingen, en het vinden van twee deeltjes met dezelfde lading duidt meestal op een meetfout of een zeldzaam, bekend proces. Om het potentiële signaal van deze ruis te scheiden, maakte het team gebruik van een geavanceerd computeralgoritme dat getraind is om de subtiele verschillen in energie en richting tussen een echte zware deeltjesverval en een standaard achtergrondgebeurtenis te herkennen.

Na het toepassen van hun strikte selectiecriteria en het doorlopen van de gegevens met hun analyse-instrumenten, vonden de onderzoekers geen bewijs voor de zware neutrale leptonen die ze zochten. Het aantal geobserveerde gebeurtenissen kwam precies overeen met de voorspellingen voor gewone achtergrondprocessen. Er was geen overschot aan paren van deeltjes met dezelfde lading die aan het verval van een topquark in een zwaar neutraal lepton toegeschreven kon worden. Dit resultaat van nul is op zichzelf een significante bevinding, aangezien het wetenschappers in staat stelt strikte grenzen te stellen aan waar deze deeltjes zich mogelijk verbergen. Ze bepaalden dat als deze zware deeltjes bestaan en worden geproduceerd in topquark-vervallen, ze extreem zeldzaam moeten zijn, wat voorkomt minder dan één keer in elke paar tienduizenden topquark-vervallen.

De studie richtte zich op zware neutrale leptonen met massa's tussen 20 en 100 gigaelektronvolt, een bereik dat in dit specifieke vervalkanaal nog niet grondig was verkend. Voor deeltjes in dit massabereik berekenden de onderzoekers dat de waarschijnlijkheid dat een topquark vervalt in een zwaar neutraal lepton beperkt is tot een zeer klein fractie. In het geval van elektronen vindt het verval minder dan één keer in ongeveer 20.000 tot 90.000 topquark-vervallen, afhankelijk van de massa van het deeltje. Voor muon is de limiet nog strikter, waarbij het verval minder dan eens voorkomt in ongeveer 40.000 tot 270.000 vervallen. Deze limieten zijn de meest strikte beperkingen tot nu toe voor deze specifieke productiemethode, en sluiten de existentie van deze deeltjes in dit massabereik effectief uit als ze met hogere frequenties zouden voorkomen.

Hoewel de zoektocht de zware deeltjes niet heeft blootgelegd, bood het een cruciaal stukje van de puzzel door de zoekruimte te verkleinen. De resultaten vertellen ons dat als deze zware neutrale leptonen bestaan en interageren met topquarks zoals de theorie voorspelt, ze nog ongrijpbaarder moeten zijn dan voorheen gedacht. De gegevens komen overeen met het standaardmodel, wat suggereert dat de zware deeltjes, als ze bestaan, niet verschijnen in topquark-vervallen met de frequentie die nodig is om het neutrino-massamysterie via dit specifieke mechanisme alleen te verklaren. Dit dwingt theoretici om de parameters van hun modellen te heroverwegen of om naar deze deeltjes te zoeken in andere productiekanalen. Het werk staat als een testament aan de precisie van de moderne deeltjesfysica, waarbij de afwezigheid van een ontdekking even informatief is als een ontdekking zelf, en de wetenschappelijke gemeenschap richting de volgende stappen in het begrijpen van de fundamentele bouwstenen van het universum leidt.