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

Nell'universo così come lo intendiamo, le particelle chiamate leptoni si presentano in tre famiglie distinte: elettroni, muoni e tau. Per decenni, le leggi fondamentali della fisica hanno sostenuto che queste famiglie siano strettamente separate. Un elettrone non dovrebbe mai trasformarsi spontaneamente in una muone, proprio come una muone non dovrebbe mai diventare un elettrone. Questa regola della "conservazione del sapore" è una pietra angolare del Modello Standard, la migliore teoria di cui disponiamo su come i più piccoli mattoni della natura interagiscano tra loro. Tuttavia, sappiamo che questa regola non è assoluta per tutte le particelle. I neutrini, i cugini spettrali di questi leptoni carichi, sono noti per cambiare il proprio sapore mentre viaggiano, una scoperta che ha portato al Premio Nobel e ha dimostrato che la natura è più fluida di quanto suggeriscano le nostre equazioni più semplici. Ciò pone una domanda stimolante per i fisici: se i neutrini possono infrangere le regole, potrebbero le versioni cariche e più pesanti di queste particelle fare lo stesso? Trovare un singolo caso in cui un elettrone e una muone scambino l'identità in una collisione ad alta energia sarebbe una prova schiacciante di nuova fisica, indicando forze o particelle che esistono oltre la nostra attuale comprensione.

Per dare la caccia a questa rara trasformazione, gli scienziati del Large Had Collider in Svizzera hanno rivolto la loro attenzione alla particella elementare più pesante nota: il quark top. Questa particella è così massiccia che decade quasi istantaneamente, scomparendo in una frazione di secondo dopo la sua creazione. L'esperimento ATLAS, un enorme rilevatore delle dimensioni di una cattedrale che circonda il punto di collisione, ha registrato miliardi di queste collisioni. In una recente analisi, il team ha setacciato i dati corrispondenti a 140 femtobarn inversi di collisioni, un volume di informazioni che rappresenta l'intero dataset raccolto dal rilevatore durante la sua seconda corsa principale. Cercavano una firma molto specifica e insolita: un quark top che, invece di decadere nella solita miscela di particelle, si divide in tre particelle cariche — un elettrone, una muone e un getto di altre particelle — mentre un secondo quark top nello stesso evento si comporta normalmente. Questa combinazione specifica di un elettrone e una muone che appaiono insieme da un singolo quark top sarebbe una chiara violazione della regola di conservazione del sapore.

I ricercatori hanno affrontato questa ricerca osservando due diversi modi in cui tale violazione potrebbe verificarsi. Il primo scenario prevede che un singolo quark top venga creato direttamente accanto alla coppia di leptoni, mentre il secondo prevede la creazione di una coppia di quark top, dove uno di essi decade in questo modo proibito. Poiché il segnale che stanno dando la caccia è previsto essere incredibilmente debole, sepolto sotto una montagna di eventi di fondo ordinari, il team ha utilizzato sofisticati algoritmi informatici per distinguere il segnale dal rumore. Questi algoritmi agivano come un filtro altamente addestrato, imparando a riconoscere i sottili schemi nell'energia e nella direzione delle particelle che indicherebbero che un quark top si era comportato in modo strano. Si sono concentrati su eventi contenenti esattamente tre particelle cariche — elettroni o muoni — e almeno un getto di detriti, rimuovendo attentamente qualsiasi evento che somigliasse a processi di fondo comuni, come il decadimento di un bosone Z, che può mimare il segnale.

Dopo aver eseguito la loro analisi, il team non ha trovato prove della violazione del sapore dei leptoni carichi che cercava. Il numero di eventi osservati corrispondeva perfettamente alle previsioni del Modello Standard, senza che apparissero anomalie strane nei dati. Questo risultato nullo è, a modo suo, una scoperta significativa. Permette agli scienziati di porre limiti rigorosi su quanto spesso questo decadimento proibito possa possibilmente accadere. Hanno calcolato che, se tale processo avviene, deve essere incredibilmente raro, accadendo meno di una volta ogni poche centinaia di milioni di decadimenti del quark top. Nello specifico, hanno determinato che la probabilità che un quark top decada in un elettrone, una muone e un quark up sia inferiore a sei su un miliardo, mentre la probabilità che decada in un elettrone, una muone e un quark charm sia inferiore a tre su dieci milioni.

Questi limiti vengono tradotti in vincoli sulla "forza" teorica delle nuove forze che sarebbero necessarie per rendere possibile questa violazione. I ricercatori hanno scoperto che qualsiasi nuova fisica capace di causare questo effetto deve essere estremamente debole o esistere a scale di energia ben oltre ciò che l'attuale collisore può raggiungere. Lo studio esclude efficacemente una vasta gamma di modelli teorici che prevedevano che queste violazioni sarebbero state abbastanza comuni da essere viste con l'attuale quantità di dati. Sebbene la ricerca non abbia trovato la nuova particella o forza che speravano di trovare, ha avuto successo nel restringere la mappa di dove quella nuova fisica potrebbe nascondersi. L'assenza di un segnale conferma che il Modello Standard rimane robusto in questo dominio, ma pone anche le basi per futuri esperimenti con macchine ancora più potenti per continuare la caccia alle crepe nelle regole della natura.