Recherche de neutrinos de Majorana lourds au LHC

Cet article parle de la recherche d'un type spécial de particules appelées Neutrinos de Majorana lourds. Ces particules intéressent le domaine de la physique des particules à cause de leurs propriétés uniques. La recherche a été menée au Grand collisionneur de hadrons (LHC), où les protons s'entrechoquent à des vitesses très élevées. Cela permet aux scientifiques de chercher des particules rares qui ne peuvent pas être facilement trouvées dans d'autres expériences.

#Mise en place de l'expérience

Les expériences ont été réalisées en utilisant le Détecteur ATLAs, qui est l'un des principaux instruments du LHC. Le détecteur ATLAS est conçu pour capturer et mesurer différents types de particules résultant des collisions. Pour cette recherche particulière, des données ont été collectées à partir de collisions proton-proton à une énergie de 13 TeV sur une période de 2015 à 2018. Le jeu de données utilisé pour l'analyse correspond à un total de 140 femtobarns inverses de données.

#C'est quoi les neutrinos de Majorana ?

Les neutrinos sont de toutes petites particules qui interagissent très faiblement avec la matière. Ils existent en trois types, ou saveurs, qui sont associés aux trois leptons chargés : électrons, muons et taus. Un neutrino de Majorana est un type de neutrino qui est sa propre antiparticule. Cela signifie qu'un neutrino de Majorana peut être considéré comme une particule qui n'a pas de contrepartie opposée distincte.

En physique théorique, l'existence de neutrinos de Majorana lourds a des implications pour expliquer pourquoi les neutrinos normaux ont une masse. Les modèles standards de la physique des particules suggèrent que les neutrinos devraient être sans masse. Cependant, des expériences ont montré qu'ils ont bien une masse, amenants les scientifiques à proposer de nouvelles théories pour expliquer cela.

#Détails de la recherche

La recherche visait à trouver des neutrinos de Majorana lourds en cherchant des interactions spécifiques entre particules. Dans ce cas, l'accent était mis sur les événements où deux leptons de même signe (par exemple, deux électrons ou deux muons) sont produits avec au moins deux jets, qui sont des projections de particules résultant de collisions de quarks. Les conditions pour identifier de tels événements incluent une masse invariante élevée et une séparation significative en rapidité, qui est une mesure de la vitesse des particules dans la direction de la collision.

Malgré des recherches approfondies, aucune preuve significative de la présence de neutrinos de Majorana lourds n'a été trouvée. Les résultats ont été comparés au Modèle Standard, qui décrit les forces et les particules fondamentales en physique. Ce modèle prédisait quels types d'événements devraient se produire et à quelle fréquence. Le manque d'événements excédentaires significatifs suggère que, si les neutrinos de Majorana lourds existent, ils sont probablement plus massifs que ce que les théories précédentes laissaient entendre.

#Implications des résultats

Les résultats ont été interprétés dans le cadre d'un modèle théorique appelé le modèle de seesaw de type I phénoménologique. Ce modèle introduit des neutrinos lourds supplémentaires qui se mélangent avec les neutrinos du Modèle Standard, expliquant potentiellement leurs petites masses. La recherche a établi de nouvelles limites sur les valeurs des paramètres qui décrivent l'interaction de ces neutrinos lourds avec les neutrinos normaux.

En particulier, les résultats ont placé des contraintes sur les paramètres de mélange, qui quantifient dans quelle mesure les neutrinos de Majorana lourds se mélangent avec les neutrinos plus légers du Modèle Standard. La recherche a spécifiquement examiné des masses de neutrinos de Majorana lourds allant de 50 GeV à 20 TeV.

#Contexte et analyse

Lors de ces collisions à haute énergie, de nombreuses autres particules sont produites. Celles-ci sont connues sous le nom de processus de fond, ce qui signifie qu'elles peuvent imiter les signaux que les scientifiques recherchent. Les principaux processus de fond détectés étaient ceux impliquant la production de bosons W de même signe, qui sont des particules qui portent la force faible.

Pour réduire l'influence de ces processus de fond, les chercheurs ont utilisé diverses stratégies. Ils ont créé des régions de contrôle dans leur analyse où certaines conditions ont été ajustées pour s'assurer que le fond était bien compris et pouvait être pris en compte. Des simulations de Monte Carlo, qui utilisent des algorithmes informatiques pour imiter comment ces collisions se produisent, ont également été utilisées pour estimer les contributions des processus de fond.

#Le rôle du détecteur ATLAS

Le détecteur ATLAS joue un rôle crucial dans cette recherche. C'est un équipement large et sophistiqué qui comprend plusieurs sous-systèmes conçus pour détecter différents types de particules. Le détecteur peut identifier et mesurer l'énergie des particules chargées, des jets et de l'énergie manquante due à des neutrinos indétectables.

Le détecteur de suivi interne capture les trajectoires des particules chargées, permettant ainsi aux scientifiques de mesurer leur moment. Les systèmes de calorimétrie mesurent l'énergie des particules, distinguant entre l'énergie électromagnétique et hadronique. Le spectromètre à muons identifie les muons, qui sont des cousins plus lourds des électrons.

Pour cette recherche, il était vital que le détecteur fonctionne parfaitement. Un système de déclenchement à deux niveaux a été utilisé pour filtrer les événements en temps réel, sélectionnant uniquement les collisions les plus prometteuses pour une analyse plus approfondie.

#Critères de sélection des événements

Pour identifier d'éventuels signaux provenant de neutrinos de Majorana lourds, les chercheurs ont défini des critères spécifiques pour les événements qu'ils ont analysés. Ils ont exigé que les événements contiennent :

1. Deux leptons de même signe (soit deux électrons, soit deux muons).
2. Au moins deux jets avec une énergie élevée.
3. Une grande séparation en rapidité entre les jets.
4. Pas de moment transverse significatif manquant dans l'état final, car les neutrinos ne sont pas détectés directement.

Ces critères ont aidé à augmenter la probabilité de détecter des événements qui pourraient signaler la présence de neutrinos de Majorana lourds tout en filtrant le bruit des processus de fond standards.

#Analyse statistique

L'analyse des données collectées impliquait des méthodes statistiques pour évaluer la probabilité de différents résultats. Les chercheurs ont utilisé un ajustement de vraisemblance maximale pour mieux comprendre les données observées. Cela a été réalisé séparément pour différents canaux et visait à déterminer les meilleures estimations pour le nombre d'événements de fond attendus et de signaux potentiels.

Les incertitudes systémiques provenant de différentes sources ont également été prises en compte. Ces incertitudes pourraient provenir de la modélisation des interactions des particules, de la calibration du détecteur, et d'autres facteurs expérimentaux qui pourraient affecter les résultats.

#Conclusions de l'étude

Après avoir analysé les données, aucune preuve significative de neutrinos de Majorana lourds n'a été trouvée. Les chercheurs ont dérivé des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % sur les paramètres de mélange des neutrinos de Majorana lourds. Ils ont établi que les paramètres de mélange doivent être en dessous d'un certain seuil, ce qui contraint encore plus les modèles théoriques qui prédisent l'existence de ces particules.

L'étude a également rapporté des limites observées sur les masses de Majorana, avec les résultats indiquant que les éléments de mélange sont probablement plus petits que ce qui était prévu auparavant. Dans le contexte du modèle de seesaw de type I phénoménologique, l'étude a montré que les limites attendues sur les neutrinos de Majorana lourds étaient plus strictes que dans les analyses passées.

Dans l'ensemble, cette recherche a amélioré notre compréhension des neutrinos de Majorana lourds et a fourni de nouvelles idées qui pourraient faire avancer le domaine de la physique des particules. Les résultats encouragent d'autres recherches et fournissent une base pour de futures expériences pour explorer la nature des neutrinos et leur rôle dans l'univers.

#Directions futures

Alors que la recherche continue, les scientifiques au LHC et dans d'autres installations vont affiner leurs techniques de recherche et explorer potentiellement différents types de particules en collision. De futures mises à niveau du LHC pourraient également offrir des énergies encore plus élevées, ouvrant la voie à la découverte de nouvelles particules, y compris ces fameux neutrinos de Majorana lourds.

La recherche des neutrinos de Majorana lourds est une pièce cruciale du puzzle plus large pour comprendre les constituants fondamentaux de la matière et explorer les mystères de l'univers. La collaboration entre les scientifiques de diverses institutions à travers le monde continue de favoriser des avancées dans ce domaine, promettant des découvertes passionnantes à l'avenir.

#Remerciements

Ces études sont possibles grâce au travail acharné des chercheurs et des ingénieurs au CERN et dans diverses institutions participantes à travers le monde. Leurs contributions à la construction et à l'entretien du LHC et de ses détecteurs, ainsi que leur dévouement à faire avancer nos connaissances en physique des particules, sont grandement appréciés.

Alors que le voyage dans le monde subatomique continue, l'espoir demeure qu'un jour les secrets des neutrinos de Majorana lourds seront complètement révélés.