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

Dans l'univers tel que nous le comprenons, les particules appelées leptons se présentent en trois familles distinctes : les électrons, les muons et les taus. Depuis des décennies, les lois fondamentales de la physique soutiennent que ces familles sont strictement séparées. Un électron ne devrait jamais se transformer spontanément en muon, tout comme un muon ne devrait jamais devenir un électron. Cette règle de « conservation du goût » est une pierre angulaire du Modèle Standard, la meilleure théorie dont nous disposons pour expliquer comment les plus petits constituants de la nature interagissent. Cependant, nous savons que cette règle n'est pas absolue pour toutes les particules. Les neutrinos, les cousins fantomatiques de ces leptons chargés, changent de goût lorsqu'ils voyagent, une découverte qui a valu un prix Nobel et a prouvé que la nature est plus fluide que nos équations les plus simples ne le suggèrent. Cela soulève une question fascinante pour les physiciens : si les neutrinos peuvent enfreindre les règles, les versions chargées et plus lourdes de ces particules pourraient-elles faire de même ? Trouver un seul cas où un électron et un muon échangeraient leurs identités lors d'une collision à haute énergie constituerait une preuve irréfutable d'une nouvelle physique, pointant vers des forces ou des particules qui existent au-delà de notre compréhension actuelle.

Pour traquer cette transformation rare, les scientifiques du Grand Collisionneur de Hadrons en Suisse ont porté leur attention sur la particule élémentaire la plus lourde connue : le quark top. Cette particule est si massive qu'elle se désintègre presque instantanément, disparaissant en une fraction de seconde après sa création. L'expérience ATLAS, un détecteur massif de la taille d'une cathédrale qui entoure le point de collision, a enregistré des milliards de ces collisions. Dans une analyse récente, l'équipe a passé au crible des données correspondant à 140 femtobarns inverses de collisions, un volume d'informations qui représente l'ensemble des données collectées par le détecteur lors de son deuxième cycle majeur. Ils recherchaient une signature très spécifique et inhabituelle : un quark top qui, au lieu de se désintégrer selon le mélange habituel de particules, se divise en trois particules chargées — un électron, un muon et un jet d'autres particules — tandis qu'un second quark top dans le même événement se comporte normalement. Cette combinaison spécifique d'un électron et d'un muon apparaissant ensemble à partir d'un seul quark top serait une violation claire de la règle de conservation du goût.

Les chercheurs ont abordé cette recherche en examinant deux manières différentes dont une telle violation pourrait se produire. Le premier scénario implique qu'un quark top soit créé directement aux côtés de la paire de leptons, tandis que le second implique la création d'une paire de quarks top, dont l'un d'eux se désintègre de cette manière interdite. Comme le signal qu'ils traquent est censé être incroyablement faible, enfoui sous une montagne d'événements de fond ordinaires, l'équipe a utilisé des algorithmes informatiques sophistiqués pour distinguer le signal du bruit. Ces algorithmes agissaient comme un filtre hautement entraîné, apprenant à reconnaître les motifs subtils dans l'énergie et la direction des particules qui indiqueraient qu'un quark top s'est comporté de manière étrange. Ils se sont concentrés sur les événements contenant exactement trois particules chargées — électrons ou muons — et au moins un jet de débris, éliminant soigneusement tout événement ressemblant à des processus de fond courants, tels que la désintégration d'un boson Z, qui peut imiter le signal.

Après avoir effectué leur analyse, l'équipe n'a trouvé aucune preuve de la violation du goût des leptons chargés qu'elle recherchait. Le nombre d'événements observés correspondait parfaitement aux prédictions du Modèle Standard, sans qu'aucun excès étrange n'apparaisse dans les données. Ce résultat nul est, en soi, une découverte significative. Il permet aux scientifiques d'établir des limites strictes sur la fréquence à laquelle cette désintégration interdite pourrait potentiellement se produire. Ils ont calculé que si un tel processus se produit, il doit être incroyablement rare, se produisant moins d'une fois tous les quelques centaines de millions de désintégrations de quarks top. Plus précisément, ils ont déterminé que la probabilité qu'un quark top se désintègre en un électron, un muon et un quark up est inférieure à six sur un milliard, tandis que la probabilité qu'il se désintègre en un électron, un muon et un quark charm est inférieure à trois sur dix millions.

Ces limites sont traduites en contraintes sur la « force » théorique des nouvelles forces qui seraient nécessaires pour provoquer cette violation. Les chercheurs ont découvert que toute nouvelle physique capable de causer cet effet doit être extrêmement faible ou exister à des échelles d'énergie bien au-delà de ce que le collisionneur actuel peut atteindre. L'étude écarte efficacement une large gamme de modèles théoriques qui prédisaient que ces violations seraient assez communes pour être vues avec la quantité de données actuelle. Bien que la recherche n'ait pas trouvé la nouvelle particule ou la force qu'ils espéraient, elle a réussi à rétrécir la carte de l'endroit où cette nouvelle physique pourrait se cacher. L'absence de signal confirme que le Modèle Standard reste robuste dans ce domaine, mais elle prépare également le terrain pour de futures expériences avec des machines encore plus puissantes pour continuer la traque des fissures dans les règles de la nature.