En una charla en la conferencia Rencontres de Moriond, la colaboración ATLAS presentó el resultado de su última prueba de un principio clave del modelo estándar de física de partículas conocido como universalidad del sabor leptónico. La precisión del resultado es la mejor lograda hasta ahora por un solo experimento en desintegraciones del bosón W y supera la del promedio experimental actual.

La mayoría de las partículas elementales se pueden clasificar en grupos o familias con propiedades similares. Por ejemplo, la familia de los leptones incluye al electrón, que forma la nube de partículas cargadas negativamente que rodean el núcleo de cada átomo, el muón, una partícula más pesada que se encuentra en los rayos cósmicos, y el leptón tau, una partícula aún más pesada y de vida corta. visto en interacciones de partículas de alta energía.

Hasta donde saben los físicos, la única diferencia entre estas partículas es su masa, generada a través de sus diferentes fuerzas de interacción con el campo fundamental asociado con el bosón de Higgs. En particular, una característica notable del Modelo Estándar es que cada tipo de leptón, o "sabor", tiene la misma probabilidad de interactuar con un bosón W, el portador cargado eléctricamente de la fuerza débil que es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Este principio se conoce como universalidad del sabor leptón.

Por lo tanto, las pruebas de alta precisión de la universalidad del sabor de los leptones, obtenidas comparando las velocidades de desintegración del bosón W en un electrón y un neutrino electrónico, en un muón y un neutrino muónico o en un leptón tau y un neutrino tau, son sensibles. Sondeos de física más allá del modelo estándar. De hecho, si se mantiene la universalidad del sabor de los leptones, estas tasas de desintegración deberían ser iguales (con correcciones insignificantes dependientes de la masa).

Esto se puede comprobar midiendo las proporciones de las tasas de desintegración del bosón W en los diferentes tipos de leptones. Uno de los desafíos asociados con tales mediciones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es la recolección de una muestra pura ("imparcial") de bosones W.

En un artículo publicado por Nature Physics En 2021, ATLAS informó sobre la medición más precisa del mundo de la relación entre la tasa de desintegración del bosón W en un leptón tau versus su tasa de desintegración en un muón, lo que demuestra que los eventos de colisión en los que se produce un par de quarks superiores proporcionan una abundante y muestra limpia de bosones W.

En un comunicado reciente sobre arXiv servidor de preimpresión, ATLAS publicó una nueva medición, esta vez abordando la relación entre la tasa de desintegración del bosón W en un muón versus su tasa de desintegración en un electrón. Si bien la combinación de todas las mediciones anteriores mostró que esta proporción está dentro de aproximadamente el 0,6 % de la unidad, lo que corresponde a tasas de descomposición iguales, todavía había margen de mejora.

El nuevo resultado de ATLAS se basa en un estudio de su conjunto de datos completo de la segunda ejecución del LHC, recopilados entre 2015 y 2018. El análisis analizó más de 100 millones de eventos de colisión de pares de quarks superiores. El quark superior se desintegra rápidamente en un bosón W y un quark inferior, por lo que esta muestra proporciona 100 millones de pares de bosones W.

Al contar el número de estos eventos con dos electrones (y ningún muón) o dos muones (y ningún electrón), los físicos pueden probar si el bosón W se desintegra más a menudo en un electrón o en un muón.

Sin embargo, no es tan simple. El bosón Z, el portador eléctricamente neutro de la fuerza débil, también puede descomponerse en un par de electrones o muones, dejando una firma experimental similar a la de un par de quarks superiores. Dado que la masa combinada de los leptones en los eventos del bosón Z se agrupa alrededor de la masa del bosón Z de 91 GeV, este proceso de fondo se puede estimar y restar.

Además, como resultado de mediciones realizadas en la década de 1990 en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) del CERN, el predecesor del LHC, y en el Colisionador Lineal de Stanford (SLC), la relación entre la velocidad de desintegración del bosón Z en dos muones versus su Se sabe que la tasa de desintegración en dos electrones es igual a la unidad dentro del 0,3%.

Así, en este análisis ATLAS, se determinó la tasa de desintegración del bosón Z como medida de referencia, lo que permitió a los investigadores reducir las incertidumbres derivadas de la reconstrucción de electrones y muones. Además, como muchas incertidumbres de medición son similares en los eventos con dos electrones y en aquellos con dos muones, se descubrió que tienen solo un efecto menor en la tasa de desintegración medida.

El resultado final de este nuevo análisis ATLAS es un ratio de 0,9995, con una incertidumbre de 0,0045, perfectamente compatible con la unidad. Con una incertidumbre de sólo el 0,45%, el resultado es más preciso que todas las mediciones anteriores combinadas. Por ahora, la universalidad del sabor leptón sobrevive intacta.