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

In het universum zoals wij dat begrijpen, komen deeltjes genaamd leptonen in drie verschillende families voor: elektronen, muonen en tau's. Decennialang hebben de fundamentele wetten van de fysica bepaald dat deze families strikt gescheiden blijven. Een elektron zou nooit spontaan in een muon mogen veranderen, net zoals een muonon nooit een elektron zou mogen worden. Deze regel van "smaakbehoud" (flavor conservation) is een hoeksteen van het Standaardmodel, de beste theorie die we hebben voor hoe de kleinste bouwstenen van de natuur met elkaar interageren. Echter, we weten dat deze regel niet absoluut is voor alle deeltjes. Neutrino's, de spookachtige neven van deze geladen leptonen, veranderen er bekend met hun smaak terwijl ze reizen, een ontdekking die een Nobelprijs opleverde en bewees dat de natuur meer vloeiend is dan onze eenvoudigste vergelijkingen doen vermoeden. Dit roept een prikkelende vraag op voor natuurkundigen: als neutrino's de regels kunnen breken, zouden de zwaardere, geladen versies van deze deeltjes dat dan ook kunnen doen? Het vinden van een enkel geval waarin een elektron en een muon van identiteit wisselen tijdens een botsing met hoge energie, zou een 'smoking gun' zijn voor nieuwe fysica, die wijst op krachten of deeltjes die buiten ons huidige begrip bestaan.

Om te jagen op deze zeldzame transformatie, richtten wetenschappers bij de Large Hadager Collider in Zwitserland hun aandacht op het zwaarste bekende elementaire deeltje: het topquark. Dit deeltje is zo massief dat het bijna onmiddellijk vervalt, waardoor het binnen een fractie van een seconde verdwijnt nadat het is gecreëerd. Het ATLAS-experiment, een enorme detector ter grootte van een kathedraal die het botsingspunt omringt, heeft miljarden van deze botsingen geregistreerd. In een recente analyse heeft het team gegevens geanalyseerd die overeenkomen met 140 inverse femtocraton aan botsingen, een volume aan informatie dat het volledige dataset vertegenwoordigt die de detector heeft verzameld tijdens zijn tweede grote run. Ze zochten naar een zeer specifieke, ongebruikelijke signatuur: een topquark die, in plaats van te vervallen in de gebruikelijke mix van deeltjes, uiteenvalt in drie geladen deeltjes — een elektron, een muon en een jet van andere deeltjes — terwijl een tweede topquark in hetzelfde evenement normaal gedrag vertoont. Deze specifieke combinatie van een elektron en een muon die samen verschijnen uit een enkele topquark zou een duidelijke schending van de regel van smaakbehoud zijn.

De onderzoekers benaderden deze zoektocht door te kijken naar twee verschillende manieren waarop een dergelijke schending zou kunnen optreden. Het eerste scenario houdt in dat een enkele topquark direct wordt gecreëerd naast het leptonpaar, terwijl het tweede scenario betreft dat er een paar topquarks wordt gecreëerd, waarbij één van hen op deze verboden manier vervalt. Omdat het signaal dat ze op zoek zijn naar naar verwachting ongelooflijk zwak is, begraven onder een berg gewone achtergrondgebeurtenissen, gebruikte het team geavanceerde computeralgoritmen om het signaal van de ruis te onderscheiden. Deze algoritmen fungeerden als een hooggetrainde filter, die leerde om de subtiele patronen in de energie en richting van de deeltjes te herkennen die zouden aangeven dat een topquark zich vreemd had gedragen. Ze concentreerden zich op gebeurtenissen die precies drie geladen deeltjes bevatten — elektronen of muonen — en minstens één jet van puin, waarbij ze zorgvuldig alle gebeurtenissen verwijderden die leken op veelvoorkomende achtergrondprocessen, zoals het verval van een Z-boson, wat het signaal kan nabootsen.

Na het uitvoeren van hun analyse vond het team geen bewijs voor de geladen-lepton-smaakschending waar ze naar op zoek waren. Het aantal geobserveerde gebeurtenissen kwam perfect overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel, zonder dat er vreemde excessen in de data verschenen. Dit resultaat van nul is op zichzelf een belangrijke ontdekking. Het stelt wetenschappers in staat om strikte limieten te stellen aan hoe vaak dit verboden verval mogelijk kan voorkomen. Ze berekenden dat als een dergelijk proces wel plaatsvindt, het ongelooflijk zeldzaam moet zijn, minder dan één keer in elke paar honderd miljoen topquark-vervallen. Specifiek bepaalden ze dat de waarschijnlijkheid dat een topquark vervalt in een elektron, een muon en een up-quark minder is dan zes op een miljard, terwijl de waarschijnlijkheid dat het vervalt in een elektron, een muon en een charm-quark minder is dan drie op tien miljoen.

Deze limieten worden vertaald naar beperkingen op de theoretische "sterkte" van de nieuwe krachten die nodig zouden zijn om deze schending te veroorzaken. De onderzoekers stelden vast dat enige nieuwe fysica die dit effect kan veroorzaken, extreem zwak moet zijn of bestaat op energieschalen die ver voorbij wat de huidige collider kan bereiken. De studie sluit effectief een breed scala aan theoretische modellen uit die voorspelden dat deze schendingen algemeen genoeg zouden zijn om met de huidige hoeveelheid data gezien te worden. Hoewel de zoektocht niet het nieuwe deeltje of de kracht vond waar ze op hoopten, heeft het succesvol de kaart verkleind van waar die nieuwe fysica zich zou kunnen verbergen. De afwezigheid van een signaal bevestigt dat het Standaardmodel robuust blijft in dit domein, maar het zet ook het toneel voor toekomstige experimenten met nog krachtigere machines om de jacht op de barsten in de regels van de natuur voort te zetten.