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

En el universo tal como lo entendemos, existen partículas llamadas leptones que se presentan en tres familias distintas: electrones, muones y tau. Durante décadas, las leyes fundamentales de la física han sostenido que estas familias son estrictamente separadas. Un electrón nunca debería convertirse espontáneamente en un muón, del mismo modo que un muón nunca debería convertirse en un electrón. Esta regla de "conservación del sabor" es una piedra angular del Modelo Estándar, la mejor teoría que tenemos sobre cómo interactúan los bloques de construcción más pequeños de la naturaleza. Sin embargo, sabemos que esta regla no es absoluta para todas las partículas. Los neutrinos, los primos fantasmales de estos leptones cargados, son conocidos por cambiar su sabor mientras viajan, un descubrimiento que le valió un Premio Nobel y demostró que la naturaleza es más fluida de lo que sugieren nuestras ecuaciones más simples. Esto plantea una pregunta tentadora para los físicos: si los neutrinos pueden romper las reglas, ¿podrían las versiones cargadas y más pesadas de estas partículas hacer lo mismo? Encontrar un solo caso en el que un electrón y un muón intercambien identidades en una colisión de alta energía sería una prueba irrefutable de nueva física, señalando fuerzas o partículas que existen más allá de nuestro conocimiento actual.

Para cazar esta rara transformación, los científicos del Gran Colisionador de Hadrones en Suiza dirigieron su atención a la partícula elemental más pesada conocida: el quark top. Esta partícula es tan masiva que decae casi instantáneamente, desapareciendo en una fracción de segundo después de ser creada. El experimento ATLAS, un detector masivo del tamaño de una catedral que rodea el punto de colisión, ha estado registrando miles de millones de estas colisiones. En un análisis reciente, el equipo filtró datos correspondientes a 140 femtobarns inversos de colisiones, un volumen de información que representa el conjunto completo de datos recolectados por el detector durante su segundo gran ciclo de funcionamiento. Buscaban una firma muy específica y inusual: un quark top que, en lugar de decaer en la mezcla habitual de partículas, se divide en tres partículas cargadas —un electrón, un muón y un chorro de otras partículas— mientras que un segundo quark top en el mismo evento se comporta normalmente. Esta combinación específica de un electrón y un muón apareciendo juntos provenientes de un solo quark top sería una clara violación de la regla de conservación del sabor.

Los investigadores abordaron esta búsqueda analizando dos formas diferentes en las que tal violación podría ocurrir. El primer escenario implica que un solo quark top sea creado directamente junto al par de leptones, mientras que el segundo involucra la creación de un par de quarks top, donde uno de ellos decae de esta manera prohibida. Debido a que la señal que buscan se espera que sea increíblemente tenue, oculta bajo una montaña de eventos ordinarios de fondo, el equipo utilizó algoritmos computacionales sofisticados para distinguir la señal del ruido. Estos algoritmos actuaron como un filtro altamente entrenado, aprendiendo a reconocer los patrones sutiles en la energía y la dirección de las partículas que indicarían que un quark top se había comportado de manera extraña. Se centraron en eventos que contenían exactamente tres partículas cargadas —electrones o muones— y al menos un chorro de escombros, eliminando cuidadosamente cualquier evento que pareciera un proceso común de fondo, como la desintegración de un bosón Z, que puede imitar la señal.

Tras ejecutar su análisis, el equipo no encontró evidencia de la violación del sabor de los leptones cargados que buscaba. El número de eventos observados coincidió perfectamente con las predicaciones del Modelo Estándar, sin que aparecieran excesos extraños en los datos. Este resultado nulo es, en su propia forma, un descubrimiento significativo. Permite a los científicos establecer límites estrictos sobre qué tan frecuentemente podría ocurrir este decaimo prohibido. Calcularon que, si tal proceso ocurre, debe ser increíblemente raro, sucediendo menos de una vez cada cientos de millones de decaimientos de quarks top. Específicamente, determinaron que la probabilidad de que un quark top decaiga en un electrón, un muón y un quark up es de menos de seis entre mil millones, mientras que la probabilidad de que decaiga en un electrón, un muón y un quark charm es de menos de tres entre diez millones.

Estos límites se traducen en restricciones sobre la "fuerza" teórica de las nuevas fuerzas que serían necesarias para que esta violación ocurriera. Los investigadores descubrieron que cualquier nueva física capaz de causar este efecto debe ser extremadamente débil o existir en escalas de energía mucho más allá de lo que el colisionador actual puede alcanzar. El estudio descarta efectivamente una amplia gama de modelos teóricos que predecían que estas violaciones serían lo suficientemente comunes como para ser vistas con la cantidad actual de datos. Aunque la búsqueda no encontró la nueva partícula o fuerza que esperaban, ha logrado estrechar el mapa de dónde podría estar escondiéndose esa nueva física. La ausencia de una señal confirma que el Modelo Estándar sigue siendo robusto en este dominio, pero también prepara el escenario para futuros experimentos con máquinas aún más potentes para continuar la caza de las grietas en las reglas de la naturaleza.