La partícula más conocida de la familia de los leptones es el electrón, un bloque de construcción clave de la materia y fundamental para nuestra comprensión de la electricidad. Pero el electrón no es hijo único. Tiene dos hermanos más pesados, el muon y el tau lepton, y juntos se conocen como los tres sabores de leptones. Según el modelo estándar de física de partículas, la única diferencia entre los hermanos debería ser su masa:el muón es aproximadamente 200 veces más pesado que el electrón, y el tau-lepton es aproximadamente 17 veces más pesado que el muon. Es una característica notable del modelo estándar que cada sabor tiene la misma probabilidad de interactuar con un bosón W, que resulta de la llamada universalidad del sabor leptónico. La universalidad del sabor de Lepton ha sido probada en diferentes procesos y regímenes energéticos con alta precisión.

En un nuevo estudio, descrito en un documento publicado hoy en arXiv y presentado por primera vez en la conferencia LHCP 2020, la colaboración ATLAS presenta una medición precisa de la universalidad del sabor de leptones utilizando una técnica completamente nueva.

Los físicos de ATLAS examinaron eventos de colisión donde pares de quarks superiores se desintegran en pares de bosones W, y posteriormente en leptones. "El LHC es una fábrica de top-quark, y produjo 100 millones de pares de top-quark durante la Ejecución 2, "dice Klaus Moenig, Coordinador de Física de ATLAS. "Esto nos dio una gran muestra imparcial de bosones W que se descomponen en muones y leptones tau, que era esencial para esta medición de alta precisión ".

Luego midieron la probabilidad relativa de que el leptón resultante de la desintegración del bosón W sea un muón o un leptón tau, una proporción conocida como R (τ / μ). Según el modelo estándar, R (τ / μ) debe ser la unidad, ya que la fuerza de la interacción con un bosón W debería ser la misma para un tau-leptón y un muón. Pero ha habido tensión sobre esto desde la década de 1990 cuando los experimentos en el colisionador Large Electron-Positron (LEP) midieron que R (τ / μ) era 1.070 ± 0.026, desviarse de la expectativa del Modelo Estándar en 2.7 desviaciones estándar.

La nueva medición de ATLAS da un valor de R (τ / μ) =0,992 ± 0,013. Esta es la medida más precisa de la relación hasta la fecha, con una incertidumbre de la mitad del tamaño de la combinación de resultados LEP. La medición de ATLAS está de acuerdo con la expectativa del Modelo Estándar y sugiere que la discrepancia de LEP anterior puede deberse a una fluctuación.

"El LHC fue diseñado como una máquina de descubrimiento del bosón de Higgs y la nueva física pesada, ", dice Karl Jakobs, portavoz de ATLAS." Pero este resultado demuestra aún más que el experimento ATLAS también es capaz de realizar mediciones en la frontera de la precisión. Nuestra capacidad para este tipo de mediciones de precisión solo mejorará a medida que tomemos más datos en la Ejecución 3 y más allá ".

Aunque ha sobrevivido a esta última prueba, el principio de la universalidad del sabor leptónico no estará completamente fuera de peligro hasta que las anomalías en las desintegraciones del mesón B registradas por el experimento LHCb también hayan sido definitivamente probadas.