Alla ricerca di Leptoni Pesanti
All’inizio dello scorso mese, Novembre 2022, la Collaborazione ATLAS ha ufficialmente pubblicato su rivista i risultati della ricerca di leptoni pesanti previsti dal modello chiamato SeeSaw di Tipo-III, in cui il gruppo dell’INFN Bologna e dell’Università di Bologna ha giocato un ruolo fondamentale.
I leptoni sono un gruppo di particelle fondamentali del Modello Standard (MS), relativamente leggere, di cui fanno parte l’elettrone, il muone ed il tauone. Appartengono alla famiglia dei fermioni insieme ai quark, ma a differenza di questi ultimi, non possono interagire fortemente. I leptoni pesanti sono stati ipotizzati da diversi meccanismi oltre il MS, e presentano proprietà simili ai leptoni ma con un valore di massa molto maggiore.
I modelli SeeSaw sono stati teorizzati per cercare di dare una risposta ad una delle più grandi domande ancora aperte all’interno della fisica delle particelle: “Qual è il meccanismo che permette ai neutrini di acquisire una massa?”.
All’interno della teoria del Modello Standard i neutrini sono considerati particelle elementari prive di massa, assunzione che è stata sperimentalmente smentita alla fine del XX secolo con l’osservazione, da parte dell’esperimento SuperKamiokande, dell’oscillazione di sapore dei neutrini atmosferici. Tra i diversi tipi di meccanismi SeeSaw, il Tipo-III introduce tre nuovi leptoni pesanti, uno neutro (N0) e due carichi (L+, L–), a scale di energia e frequenze di produzione tale da essere potenzialmente osservabili in collisioni protone-protone ad LHC.
L’osservazione di queste nuove particelle aggiungerebbe un nuovo tassello mancante alla teoria, che permetterebbe di includere, così, il meccanismo per l’acquisizione della massa dei neutrini, portandoci sempre più vicini al completamento del Modello Standard.
La Collaborazione ATLAS aveva già pubblicato ricerche di leptoni pesanti previsti dal modello SeeSaw di Tipo-III in stati finali con due leptoni, due jet ed energia trasversa mancante (MET), usando i dati raccolti durante Run 1 (2009 – 2013) e Run 2 (2015-2018). Questa nuova analisi si focalizza, per la prima volta in ATLAS, su stati finali con la presenza di tre e quattro leptoni prodotti da questi nuovi leptoni, usando i dati del Run 2 e un’energia nel centro di massa di 13 TeV. I risultati sono stati combinati con quelli ottenuti guardando alla topologia con due leptoni, fornendo una panoramica più completa sulla produzione di leptoni pesanti in collisione protone-protone.
Queste nuove particelle ipotizzate decadono in leptoni e bosoni del Modello Standard, che a loro volta producono stati finali con un’alta molteplicità leptonica, jet e MET. Nella topologia con tre leptoni gli eventi sono categorizzati in base al decadimento dei bosoni del MS: almeno un bosone Z leptonico; almeno un bosone Z adronico, tutti i bosoni nello stato finale che decadono leptonicamente. I processi con la presenza di quattro leptoni sono invece cercati in stati finali con carica totale nulla o uguale a ±2. Negli eventi prodotti dal decadimento dei leptoni pesanti, per via della loro elevata massa, sono previsti oggetti altamente energetici che vengono selezionati richiedendo alti valori degli impulsi e della massa invariante dei diversi sistemi di particelle.
I processi del Modello Standard con segnatura simile sono ridotti dai tagli imposti dall’analisi, che permettono di eliminare gran parte degli eventi di fondo a favore di quelli di segnale. I fondi principali, stimati tramite campioni Monte Carlo (MC), che sopravvivono alla selezione sono composti da processi con la presenza di più di un quark top, da due bosoni Z e da una coppia di bosoni W e Z. La componente di fondo dovuta ai leptoni mal ricostruiti non può essere simulata con precisione, perciò è stata studiata tramite una tecnica ad-hoc, chiamata fake-factor, basata sul confronto tra i dati e le simulazioni MC in particolari regioni arricchite di questo tipo di oggetti.
L’interpretazione statistica dei risultati è l’ultimo step necessario per la ricerca di possibili deviazioni rispetto le predizioni del Modello Standard. Un eventuale di eccesso di dati rispetto a quelli attesi dal MS potrebbe portare all’osservazione di un segnale di produzione dei leptoni pesanti previsti dal modello SeeSaw di Tipo-III.
In questa analisi nessun eccesso di segnale rispetto le previsioni del MS è stato osservato, perciò è stato possibile imporre un limite superiore sulla sezione d’urto di produzione di queste particelle e uno inferiore sulle loro masse (Figura 1). Questa ricerca ha escluso la presenza di leptoni pesanti con masse inferiori a 870 GeV nel canale con tre e quattro leptoni, e inferiori a 910 GeV combinando i risultati con quelli dello stato finale con due leptoni.
L’analisi qui presentata si inserisce nell’ambito delle ricerche di fisica esotica, cioè lo studio di alcuni meccanismi non previsti dal Modello Standard che prevedono l’esistenza di nuove particelle.
Questa ricerca svolta all’interno della Collaborazione ATLAS ha posto per la prima volta un limite di esclusione considerando tutti i principali modi di decadimento dei leptoni pesanti previsti dal Modello SeeSaw di Tipo-III, fornendo uno dei limiti più alti presenti ad oggi.
In questo grafico sono anche mostrati i limiti di esclusione osservati per il canale con solo due leptoni (blue) e per quello con tre e quattro leptoni (bordeaux).
Se siete cuorisi di sapere nel dettaglio come è stata svolta questa ricerca, date un’occhiata all’articolo pubblico che trovate qui: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-022-10785-0
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