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

我々が理解している範囲内における宇宙では、レプトンと呼ばれる粒子は、電子、ミューオン、タウという3つの異なるファミリーに分かれています。数十年もの間、物理学の基本法則は、これらのファミリーが厳格に分離されているとしてきました。電子が自発的にミューオンに変わることは決してあってはならず、同様にミューオンが電子になることもあってはなりません。この「フレーバー保存」の規則は、自然界の最小の構成要素がいかに相互作用するかに関する我々の最善の理論である標準模型の礎石です。しかし、この規則がすべての粒子に対して絶対的ではないことを、我々は知っています。これらの荷電レプトンの幽霊のような従兄弟であるニュートリノは、移動中にそのフレーバーを変えることが知られており、この発見はノーベル賞を受賞しました。そして、自然が我々の最も単純な方程式が示唆するものよりも流動的であることを証明しました。これは物理学者に、ある魅力的な問いを投げかけます。もしニュートリノがルールを破ることができるのであれば、より重いこれらの荷電版の粒子も同じことができるのではないか、と。高エネルギー衝突において、電子とミューオンがその正体を入れ替える事例をたった一つでも見つけることができれば、それは新しい物理学の決定的な証拠となり、我々の現在の理解を超えた存在である力や粒子を指し示すことになるでしょう。

この稀な変化を追い求めるため、スイスの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の研究者たちは、既知の最も重い素粒子であるトップクォークに注目しました。この粒子は非常に質量が大きいため、生成された直後に、一瞬のうちに消滅してしまいます。大聖堂ほどの大きさを持つ検出器であるATLAS実験は、衝突点を取り囲み、何十億ものこれらの衝突を記録してきました。最近の解析において、チームは140フェムトバーンの衝突に対応するデータ、つまり検出器の第2主要ラン中に収集された全データセットを表す膨大な情報を精査しました。彼らは、非常に特定の、珍しいシグネチャーを探していました。それは、通常の粒子の混合物へと崩壊する代わりに、一つのトップクォークが電子、ミューオン、そして他の粒子のジェットという3つの荷電粒子に分裂し、同時に同じイベント内の第2のトップクォークは通常通り振る舞うというものです。この電子とミューオンが単一のトップクォークから同時に現れるという特定の組み合わせは、フレーバー保存の規則に対する明確な違反となるはずです。

研究者たちは、このような違反が起こり得る2つの異なるシナリオに着目して探索を進めました。第1のシナリオは、単一のトップクォークがレプトン対と共に直接生成されるケースであり、第2のシナリオは、一対のトップクォークが生成され、そのうちの一方がこの禁止された方法で崩壊するケースです。彼らが追っているシグナルは極めて微弱であり、平凡な背景事象の山の中に埋もれていることが予想されるため、チームは高度なコンピュータアルゴリズムを使用して、シグナルをノイズから区別しました。これらのアルゴリズムは、高度に訓練されたフィルターのように機能し、粒子のエネルギーや方向における微妙なパターンを学習することで、トップクォークが異常な振る舞いをしたことを識別しました。彼らは、正確に3つの荷電粒子（電子またはミューオン）と少なくとも1つのデブリのジェットを含むイベントに焦点を絞り、Zボソンの崩壊といった、シグナルを模倣する可能性のある一般的な背景プロセスに似たイベントを慎重に取り除きました。

解析を実行した後、チームは彼らが求めていた荷電レプトン・フレーバーの法則違反の証拠を見つけることはできませんでした。観察されたイベントの数は標準模型の予測と完全に一致しており、データに奇妙な過剰は見られませんでした。この「結果なし」という結果は、それ自体が重要な発見です。これにより、科学者たちはこの禁止された崩壊が起こり得る頻度に対して、厳格な制限を設けることができます。彼らは、もしこのようなプロセスが発生するとすれば、それは極めて稀であり、数億回のトップクォーク崩壊に一度未満であるに違いないと算出しました。具体的には、トップクォークが電子、ミューオン、およびアップクォークへと崩壊する確率は10億分の6未満であり、トップクォークが電子、ミューオン、およびチャームクォークへと崩壊する確率は1000万分の3未満であると決定しました。

これらの制限は、この違反を引き起こすために必要とされる新しい力の理論的な「強さ」に対する制約へと翻訳されます。研究者たちは、このような効果を引き起こす可能性のある新しい物理学は、極めて弱いものであるか、あるいは現在の衝突型加速器が到達できる範囲を遥かに超えたエネルギー領域に存在しなければならないことを明らかにしました。この研究は、これらの違反が現在のデータ量で見られるほど一般的であると予測していた幅広い理論モデルを事実上排除しました。今回の探索では、彼らが期待した新しい粒子や力は見つかりませんでしたが、新しい物理学がどこに隠れているのかという地図の範囲を絞り込むことには成功しました。シグナルの不在は、標準模型がこの領域において依然として堅牢であることを裏付けていますが、同時に、自然のルールにある「亀裂」の探索を継続するための、より強力な装置を用いた将来の実験への舞台を整えたのです。