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

Durante décadas, os físicos sabem que o universo não é totalmente completo como está. O modelo padrão, a teoria que descreve as partículas fundamentais e as forças da natureza, funciona com uma precisão impressionante, mas deixa uma lacuna gritante: não consegue explicar por que os neutrinos, aquelas partículas fantasmagóricas que atravessam tudo o que existe no cosmos, possuem massa. O modelo originalmente assumia que eles eram sem peso, mas experimentos confirmaram que não são. Essa pequena discrepância sugere que o modelo padrão é apenas uma visão parcial de uma realidade mais profunda. Para preencher essa lacuna, cientistas propuseram a existência de léptons neutros pesados, primos massivos dos neutrinos familiares que poderiam deter a chave para entender por que o universo possui matéria. Essas partículas hipotéticas são previstas por teorias que estendem nossa compreensão atual, oferecendo um mecanismo para gerar as pequenas massas que observamos nos neutrinos comuns enquanto escondem seus contrapartes mais pesados de nossa visão.

No coração deste mistério está um tipo específico de partícula pesada que se comporta de forma diferente da matéria que conhecemos. Enquanto as partículas comuns têm identidades distintas que as impedem de se transformarem em suas próprias imagens espelhadas, esses léptons neutros pesados são teorizados como sendo suas próprias antipartículas. Se tal partícula existir, ela violaria uma regra fundamental da natureza chamada conservação do número leptônico, um princípio que geralmente mantém a contagem de certas partículas equilibrada em cada interação. Encontrar evidências dessa violação seria uma descoberta monumental, provando que a natureza permite processos que são estritamente proibidos em nossos livros didáticos atuais. Isso confirmaria que essas partículas pesadas existem e que podem se transformar de maneiras que a matéria comum não pode, potencialmente explicando a origem do desequilíbrio entre matéria e antimatéria no universo.

Para caçar essas partículas esquivas, pesquisadores no Grande Colisor de Hádrons em Genebra voltaram sua atenção para o quark top, a partícula elementar mais pesada conhecida. No modelo padrão, um quark top quase sempre decai em um quark bottom e um bóson W, que então se decompõe em partículas mais leves. No entanto, se léptons neutros pesados existirem, um quark top pode ocasionalmente seguir um caminho diferente, decaindo em um quark bottom, um lépton carregado como um elétron ou múon, e um desses léptons neutros pesados. A partícula pesada viajaria então uma curta distância antes de decair ela mesma, produzindo outro lépton carregado e um bóson W. Como a partícula pesada é sua própria antipartícula, o segundo lépton que ela produz teria a mesma carga elétrica que o primeiro. Isso cria uma assinatura rara e distinta: dois elétrons ou dois múons com a mesma carga, aparecendo juntos em um único evento de colisão, acompanhados por um jato de outras partículas.

A colaboração CMS, uma equipe de milhares de cientistas operando um detector massivo no colisor, analisou uma vasta coleção de colisões próton-próton para encontrar esse padrão específico. Eles vasculham dados de 2016 a 2018, correspondendo a uma enorme quantidade de informações registradas, procurando por eventos onde dois pares de partículas de mesma carga e tipo aparecem ao lado de jatos de energia de quarks decompostos. O desafio é imenso porque o ruído de fundo das interações ordinárias de partículas é esmagador. A maioria das colisões produz pares de partículas com cargas opostas, e encontrar dois da mesma carga geralmente indica um erro de medição ou um processo conhecido e raro. Para separar o sinal potencial desse ruído, a equipe empregou um algoritmo de computador sofisticado treinado para reconhecer as sutis diferenças na energia e direção entre um decaimento de partícula pesada real e um evento de fundo padrão.

Após aplicar seus rigorosos critérios de seleção e passar os dados por suas ferramentas de análise, os pesquisadores não encontraram evidências dos léptons neutros pesados que procuravam. O número de eventos observados coincidiu perfeitamente com as previsões para processos de fundo comuns. Não houve excesso de pares de léptons de mesma carga que pudesse ser atribuído ao decaimento de um quark top em um lépton neutro pesado. Esse resultado nulo é, por si só, um achado significativo, pois permite que os cientistas estabeleçam limites estritos sobre onde essas partículas podem estar se escondendo. Eles determinaram que, se essas partículas pesadas existem e são produzidas em decaimentos de quark top, elas devem ser extremamente raras, ocorrendo menos de uma vez em cada poucas dezenas de milhares de decaimentos de quark top.

O estudo focou em léptons neutros pesados com massas entre 20 e 100 gigaelétron-volts, uma faixa que não havia sido explorada minuciosamente neste canal de decaimento específico anteriormente. Para partículas nesta faixa de massa, os pesquisadores calcularam que a probabilidade de um quark top decair em um lépton neutro pesado é limitada a uma fração muito pequena. No caso dos elétrons, o decaimento acontece menos de uma vez em aproximadamente 20.000 a 90.000 decaimentos de quark top, dependendo da massa da partícula. Para os múons, o limite é ainda mais rigoroso, com o decaimento ocorrendo menos de uma vez em cerca de 40.000 a 270.000 decaimentos. Esses limites são as restrições mais rigorosas até o momento para este método de produção específico, eliminando efetivamente a existência dessas partículas nesta faixa de massa se elas fossem produzidas em taxas mais altas.

Embora a busca não tenha descoberto as partículas pesadas, ela forneceu uma peça crucial do quebra-cabeça ao estreitar o espaço de busca. Os resultados dizem que, se esses léptons neutros pesados existem e interagem com quarks top da maneira que a teoria prevê, eles devem ser ainda mais esquivos do que se pensava anteriormente. Os dados concordam com o modelo padrão, sugerindo que as partículas pesadas, se existem, não aparecem em decaimentos de quark top com a frequência necessária para explicar o mistério da massa do neutrino através deste mecanismo específico isoladamente. Isso força os teóricos a reconsiderar os parâmetros de seus modelos ou a procurar por essas partículas em outros canais de produção. O trabalho é um testemunho da precisão da física de partículas moderna, onde a ausência de uma descoberta é tão informativa quanto uma descoberta, guiando a comunidade científica em direção aos próximos passos para compreender os blocos fundamentais de construção do universo.