Search for charged-lepton-flavour violating $e\mu tq$ interactions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

In dem Universum, wie wir es verstehen, gibt es Teilchen namens Leptonen, die in drei verschiedenen Familien vorkommen: Elektronen, Myonen und Tau-Teilchen. Seit Jahrzehnten besagen die grundlegenden Gesetze der Physik, dass diese Familien streng getrennt sind. Ein Elektron sollte sich niemals spontan in ein Myon verwandeln, genau wie ein Myon niemals zu einem Elektron werden sollte. Diese Regel der „Flavor-Erhaltung“ ist ein Eckpfeiler des Standardmodells, der besten Theorie, die wir darüber haben, wie die kleinsten Bausteine der Natur miteinander interagieren. Wir wissen jedoch, dass diese Regel nicht für alle Teilchen absolut gilt. Neutrinos, die geisterhaften Cousins dieser geladenen Leptonen, ändern bekanntlich ihren Flavor, während sie reisen – eine Entdeckung, die einen Nobelpreis einbrachte und bewies, dass die Natur weitaus fluider ist, als es unsere einfachsten Gleichungen vermuten lassen. Dies wirft eine faszinierende Frage für Physiker auf: Wenn Neutrinos die Regeln brechen können, könnten die schwereren, geladenen Versionen dieser Teilchen dies auch tun? Den Fund eines einzigen Falles, in dem ein Elektron und ein Myon in einer hochenergetischen Kollision die Identität tauschen, zu finden, wäre ein „Smoking Gun“ für neue Physik und würde auf Kräfte oder Teilchen hindeuten, die jenseits unseres aktuellen Verständnisses existieren.

Um nach dieser seltenen Transformation zu suchen, wandten sich Wissenschaftler am Large Hadron Collider in der Schweiz dem schwersten bekannten Elementarteilchen zu: dem Top-Quark. Dieses Teilchen ist so massereich, dass es fast augenblicklich zerfällt und Bruchteile einer Sekunde nach seiner Entstehung verschwindet. Das ATLAS-Experiment, ein massiver Detektor von der Größe einer Kathedrale, der den Kollisionspunkt umgibt, hat Milliarden dieser Kollisionen aufgezeichnet. In einer jüngsten Analyse durchsuchte das Team Daten, die 140 inverse Femtobarn an Kollisionen entsprechen – ein Datenvolumen, das den gesamten Datensatz darstellt, der der Detektor während seines zweiten großen Durchlaufs gesammelt hat. Sie suchten nach einer sehr spezifischen, ungewöhnlichen Signatur: einem Top-Quark, das, anstatt in die übliche Mischung aus Teilchen zu zerfallen, in drei geladene Teilchen zerfällt – ein Elektron, ein Myon und ein Jet aus anderen Teilchen –, während ein zweites Top-Quark im selben Ereignis normal reagiert. Diese spezifische Kombination aus einem Elektron und einem Myon, die aus einem einzigen Top-Quark erscheint, wäre eine klare Verletzung der Flavor-Erhaltungsregel.

Die Forscher näherten sich dieser Suche, indem sie zwei verschiedene Arten untersuchten, wie eine solche Verletzung auftreten könnte. Das erste Szenario beinhaltet die direkte Erzeugung eines einzelnen Top-Quarks zusammen mit dem Lepton-Paar, während das zweite Szenario die Erzeugung eines Paares von Top-Quarks umfasst, von denen eines auf diese verbotene Weise zerfällt. Da das Signal, nach dem sie suchen, erwartet wird, unglaublich schwach zu sein und unter einem Berg gewöhnlicher Hintergrundereignisse verborgen liegt, setzte das Team hochentwickelte Computeralgorithmen ein, um das Signal vom Rauschen zu unterscheiden. Diese Algorithmen fungierten wie ein hochtrainierter Filter, der lernte, die subtilen Muster in der Energie und Richtung der Teilchen zu erkennen, die darauf hindeuten würden, dass ein Top-Quark sich seltsam verhalten hat. Sie konzentrierten sich auf Ereignisse, die genau drei geladene Teilchen – Elektronen oder Myonen – und mindestens einen Jet aus Trümmern enthielten, wobei sie sorgfältig alle Ereignisse entfernten, die wie häufige Hintergrundprozesse aussah, wie etwa der Zerfall eines Z-Bosons, welcher das Signal imitieren kann.

Nach Durchführung ihrer Analyse fand das Team keine Anzeichen für die gesuchte Verletzung der geladenen Lepton-Flavor-Erhaltung. Die Anzahl der beobachteten Ereignisse entsprach perfekt den Vorhersagen des Standardmodells, ohne dass seltsame Überschüsse in den Daten auftauchten. Dieses Nullresultat ist in seiner eigenen Art eine bedeutende Entdeckung. Es ermöglicht den Wissenschaftlern, strikte Grenzen dafür zu setzen, wie oft dieser verbotene Zerfall theoretisch möglich sein könnte. Sie berechneten, dass, falls ein solcher Prozess tatsächlich stattfindet, er unglaublich selten sein muss und weniger als einmal in jeweils einigen hundert Millionen Top-Quark-Zerfällen auftritt. Konkret ermittelten sie, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Top-Quark in ein Elektron, ein Myon und ein Up-Quark zerfällt, weniger als sechs zu einer Milliarde beträgt, während die Wahrscheinlichkeit eines Zerfalls in ein Elektron, ein Myon und ein Charm-Quark weniger als drei zu zehn Millionen liegt.

Diese Grenzwerte werden in Beschränkungen der theoretischen „Stärke“ der neuen Kräfte übersetzt, die erforderlich wären, um diese Verletzung hervorzurufen. Die Forscher fanden heraus, dass jede neue Physik, die diesen Effekt verursachen könnte, extrem schwach sein muss oder auf Energieskalen existiert, die weit über das hinausgehen, was der aktuelle Collider erreichen kann. Die Studie schließt effektiv eine breite Palette theoretischer Modelle aus, die vorhergesagt hatten, dass diese Verletzungen mit der aktuellen Menge an Daten häufig genug zu beobachten wären. Obwohl die Suche nicht das neue Teilchen oder die neue Kraft fand, auf die sie hofften, hat sie erfolgreich den Weg eingeengt, wo sich diese neue Physik verbergen könnte. Das Ausbleiben eines Signals bestätigt, dass das Standardmodell in diesem Bereich robust bleibt, aber es bereitet auch die Bühne für zukünftige Experimente mit noch leistungsfähigeren Maschinen, um die Suche nach den Rissen in den Regeln der Natur fortzusetzen.