Search for the lepton-flavor-violating decay $\tau^{\pm} \to \mu^{\pm} \gamma$ at Belle II

In het universum van subatomaire deeltjes bestaat een set regels die bekend staat als het Standaardmodel, die beschrijft hoe materie zich gedraagt. Een van deze regels is dat een zwaar deeltje genaamd een tau, een type lepton, nooit spontaan mag veranderen in een lichter deeltje genaamd een muon terwijl het een flits van licht uitzendt. Volgens ons huidige begrip is deze specifieke transformatie zo ongelooflijk zeldzaam dat het effectief onmogelijk is om ooit te zien gebeuren. Echter, veel natuurkundigen geloven dat het Standaardmodel incompleet is en dat er verborgen krachten of nieuwe deeltjes wachten om ontdekt te worden. Als een tau-deeltje ooit geobserveerd zou worden terwijl het verandert in een muon en een foton, zou dit een duidelijk teken zijn dat deze nieuwe natuurwetten bestaan, wat een venster opent naar een diepere realiteit dan we momenteel kennen.

Een team van onderzoekers met behulp van de Belle II-detector bij de SuperKEKB-collider in Japan heeft een enorme zoektocht uitgevoerd naar dit verboden evenement. Ze analyseerden een enorme hoeveelheid data verzameld over vele jaren, die miljarden deeltjesbotsingen vertegenwoordigt. Om de naald in de hooiberg te vinden, bouwde het team een geavanceerd computersysteem dat getraind is om de unieke handtekening te herkennen van een tau die vervalt in een muon en een foton, terwijl het andere miljoenen botsingen negeert die er vergelijkbaar uitzien maar gewoon gewone achtergrondruis zijn. Na het met uiterste zorg doorzoeken van de data, vonden ze geen bewijs dat deze verboden verval ooit heeft plaatsgevonden. In plaats daarvan berekenden ze de strengste limiet tot nu toe voor hoe vaak dit zou kunnen gebeuren, waarmee ze bevestigden dat als het wel gebeurt, het nog zeldzamer is dan voorheen werd gedacht.

Het experiment vond plaats bij een faciliteit waar elektronen- en positronenbundels tegen elkaar botsen met bijna de snelheid van het licht. Wanneer deze deeltjes botsen, kunnen ze kortstondig paren van tau-deeltjes creëren, die zware neefjes van het elektron zijn. Deze tau-deeltjes leven slechts een fractie van een seconde voordat ze vervallen in andere, lichtere deeltjes. De onderzoekers zochten naar een zeer specifiek resultaat: één tau-deeltje dat verandert in een muon en een enkel foton van licht, terwijl zijn partner-tau op een andere, bekende manier vervalt. De uitdaging is dat dit specifieke evenement ervan wordt verwacht zo zeldzaam te gebeuren dat het gemakkelijk wordt overstemd door andere processen die vergelijkbare deeltjes produceren. Een tau-deeltje kan bijvoorbeeld vervallen in een muon en een neutrino, en een rondvliegend foton uit de botsingsomgeving zou per ongeluk geregistreerd kunnen worden, waardoor het signaal dat de wetenschappers zochten nabootst.

Om het echte signaal van de ruis te scheiden, gebruikte het team een krachtig machine learning-instrument genaamd een gradient-boosted decision tree. Dit instrument werkt als een hoog ervaren filter, getraind op miljoenen gesimuleerde botsingen om de subtiele verschillen tussen de achtergrondruis en het zeldzame evenement dat ze wilden vinden, te leren. Het keek naar vele kenmerken van elke botsing, zoals de richting waarin de deeltjes vlogen, hun energie en hoe ze in de ruimte waren gerangschikt. Door dit filter toe te passen, was het team in staat om meer dan 99 procent van de achtergrondgebeurtenissen af te wijzen, terwijl ze bijna 6 procent van de potentiële signaalgebeurtenissen behielden. Dit niveau van precisie stelde hen in staat om naar een kleinere, schonere steekproef van data te kijken waar een signaal veel gemakkelijker te spotten zou zijn als het bestond.

De onderzoekers onderzochten een dataprofiel dat overeenkomt met 428 eenheden van botsingsintensiteit, een volume aan data dat hen in staat stelde om 393 miljoen tau-deeltjesparen te observeren. Ze richtten hun zoektocht op een specifiek gebied van energie en momentum waar het signaal zou verschijnen als het echt was. Na het "unblinden" van de data, wat betekent dat ze eindelijk de resultaten bekeken die ze voor bias hadden beschermd, vonden ze acht gebeurtenissen in het doelgebied. Echter, toen ze dit aantal vergeleken met wat ze alleen van de achtergrondruis verwachtten, was het resultaat consistent met toeval. De achtergrondprocessen, die goed begrepen maar rommelig zijn, werden verwacht ongeveer zes gebeurtenissen in diezelfde plek te produceren, en de acht die ze zagen, pasten comfortabel binnen de marge van normale statistische fluctuatie.

Omdat er geen duidelijk signaal naar voren kwam, kon het team niet claimen dit verval te hebben ontdekt. In plaats daarvan gebruikten ze hun data om een nieuwe bovengrens vast te stellen voor hoe vaak dit evenement mogelijk kan voorkomen. Ze berekenden dat de waarschijnlijkheid dat een tau-deeltje verandert in een muon en een foton minder is dan 9,5 op 100 miljoen pogingen, met een betrouwbaarheidsniveau van 90 procent. Dit betekent dat als het verval al plaatsvindt, het nog ongrijpbaarder is dan de vorige beste limiet die door het eerdere Belle-experiment werd vastgesteld. De nieuwe limiet is een aanzienlijke verbetering omdat het team een veel hogere efficiëntie bereikte in het opsporen van het signaal en een veel beter vermogen had om de achtergrond af te wijzen, dankzij hun geavanceerde selectiemethoden.

Dit resultaat versterkt het huidige Standaardmodel, dat voorspelt dat dit verval niet op een detecteerbaar niveau zou moeten gebeuren. Hoewel de zoektocht niet de nieuwe fysica vond waar sommige theoretici op hoopten, biedt het een cruciaal ijkpunt voor de toekomst. Door de grenzen van hoe zeldzaam dit evenement kan zijn te verleggen, hebben de onderzoekers de zoekruimte voor eventuele nieuwe theorieën die de diepere geheimen van het universum zouden kunnen verklaren, verkleind. Het werk demonstreert ook de kracht van de Belle II-detector en het vermogen om complexe data met hoge precisie te verwerken, wat de basis legt voor nog gevoeligere zoektochten naarmate het experiment in de komende jaren meer data verzamelt. De afwezigheid van een ontdekking is op zichzelf een krachtig stuk informatie, dat ons vertelt dat de regels van de subatomaire wereld standvastig consistent blijven met ons huidige begrip, althans voor deze specifieke transformatie.