A search for lepton-flavour violating $τ\to 3μ$ decays with the ATLAS detector

O experimento ATLAS realizou uma busca por decaimentos de violação de sabor leptônico $\tau \to 3\mu$ em colisões $pp$ a 13 TeV, utilizando dados de 2016 a 2018, e não encontrou evidências de sinal, estabelecendo um limite superior de $8,7 \times 10^{-8}$ para a razão de ramificação a 90% de nível de confiança.

O essencial

Imagine que o universo é uma grande orquestra onde cada partícula tem um "gênero" ou "sabor" (como elétron, múon ou tau). Nas regras padrão da física (o Modelo Padrão), esses sabores são como guardiões: eles não podem se misturar. Um tau (𝜏) não pode simplesmente virar três múons (𝜇) de uma vez só. Seria como se um violino tentasse se transformar magicamente em três flautas instantaneamente.

No entanto, os físicos suspeitam que existe uma "nova física" escondida, algo além das regras que conhecemos, que poderia permitir essa transformação proibida. Se conseguirmos ver um tau se transformando em três múons, será a prova definitiva de que o Modelo Padrão está incompleto e que há novos segredos no universo.

Este é o trabalho do experimento ATLAS, um dos maiores "olhos" do mundo, instalado no Grande Colisor de Hádrons (LHC) na CERN.

A Grande Caçada: Procurando o Impossível

O artigo descreve uma busca intensa por essa transformação proibida: 𝜏 → 3𝜇 (um tau virando três múons).

1. O Cenário da Busca:
Imagine que você está em uma festa lotada (o LHC, onde partículas colidem a velocidades absurdas). A maioria das pessoas na festa são "comuns" (partículas que seguem as regras normais). Mas você está procurando por um evento muito raro: uma pessoa que, ao entrar na sala, se divide magicamente em três outras pessoas idênticas.

O ATLAS analisou dados de 2016 a 2018, o que equivale a 137 trilhões de colisões (137 fb⁻¹). É como se tivessem filmado a festa inteira em câmera lenta, quadro a quadro, procurando por essa mágica.

2. Como eles encontram o "fantasma":
O problema é que a "mágica" (o sinal) é extremamente rara e se esconde em meio a um mar de "ruído" (eventos comuns que parecem com o sinal, mas não são).

• O Filtro Inteligente (BDT): Para não se perderem no caos, os cientistas usaram uma inteligência artificial chamada Boosted Decision Tree (BDT). Pense nela como um detetive super-esperto que olha para cada evento da festa e diz: "Isso parece uma transformação mágica ou é apenas uma coincidência?". Ela analisa coisas como:
  • A distância entre onde as partículas nasceram e onde foram detectadas (como se a "mágica" acontecesse um pouco longe do palco principal).
  • Quão isoladas estão as partículas (se elas estão sozinhas ou cercadas por uma multidão de outras partículas).
  • A energia que falta (como se alguém tivesse roubado um pedaço da energia da festa).

3. O Resultado da Investigação:
Depois de filtrar milhões de eventos e usar estatísticas avançadas para separar o sinal do ruído, o resultado foi: Nada.

Não foi encontrada nenhuma evidência de que o tau se transformou em três múons. Os dados se encaixaram perfeitamente na hipótese de que "apenas o fundo" (o ruído comum) estava presente.

4. O que isso significa?
Embora não tenham encontrado o "fantasma", eles conseguiram dizer algo muito importante: O fantasma é ainda mais difícil de encontrar do que pensávamos.

Eles estabeleceram um novo limite: a chance de um tau se transformar em três múons é menor do que 8,7 em 100 milhões (8.7 × 10⁻⁸).

• Analogia: Imagine que você joga uma moeda 100 milhões de vezes. Se essa transformação acontecesse, ela só ocorreria menos de 9 vezes nesse total. E mesmo assim, o ATLAS não viu nenhuma ocorrência.

Por que isso é importante?

• Melhorou o recorde: Este resultado é 5 vezes mais preciso do que o melhor resultado anterior do ATLAS (feito em 2016).
• O que falta: A busca continua. Como a "agência" (o Modelo Padrão) diz que isso é quase impossível, e as teorias de "nova física" dizem que é possível (mas raro), os cientistas precisam de mais dados.
• O Futuro: Com mais colisões no futuro, o ATLAS poderá ver ainda mais fundo. Se a nova física existir, ela aparecerá. Se não aparecer, teremos que reescrever as teorias sobre como o universo funciona.

Resumo em uma frase

O experimento ATLAS vasculhou bilhões de colisões de partículas usando inteligência artificial para procurar uma transformação proibida (um tau virando três múons); não encontrou nada, mas conseguiu dizer com mais precisão do que nunca que, se essa transformação existir, ela é extremamente rara, mantendo o mistério da "nova física" vivo para futuras investigações.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Busca por Violação de Sabor de Lépton Carregado no decaimento $\tau \to 3\mu$ com o Detector ATLAS

1. O Problema e o Contexto Físico

No Modelo Padrão (SM) da física de partículas, a conservação de sabor leptônico é uma simetria aproximada. Embora a violação de sabor seja observada no setor de neutrinos (oscilações de neutrinos) e no setor de quarks, a violação de sabor de lépton carregado (cLFV) é extremamente suprimida no SM, com taxas de decaimento da ordem de $10^{-55}$, tornando-a indetectável com a tecnologia atual.

A observação de qualquer processo de cLFV seria uma evidência inequívoca de Física Além do Modelo Padrão (BSM). Vários modelos teóricos BSM preveem taxas de decaimento para o tau ($\tau$) na ordem de $10^{-9}$, potencialmente acessíveis aos experimentos atuais. O decaimento $\tau^\pm \to \mu^\pm \mu^\mp \mu^\pm$ (denotado como $\tau \to 3\mu$) é um dos canais mais sensíveis para testar essas novas físicas. Até o momento, os limites mais rigorosos foram estabelecidos pelos experimentos Belle II, LHCb e BaBar, mas a busca no LHC (Large Hadron Collider) é crucial devido à alta taxa de produção de taus e à capacidade de explorar diferentes mecanismos de produção.

2. Metodologia e Análise de Dados

Dados e Amostra:

• Experimento: ATLAS no LHC.
• Dados: Colisões próton-próton ($pp$) a uma energia no centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV.
• Período: Dados coletados entre 2016 e 2018 (Run 2).
• Luminosidade Integrada: $137 \text{ fb}^{-1}$.

Canais de Sinal:
A análise considera duas fontes principais de produção de $\tau$:

1. Sinal Eletrofraco (EW): Produção via decaimentos de bósons $W$ e $Z$ ($W \to \tau\nu$, $Z \to \tau\tau$) e decaimentos de pares top ($t\bar{t} \to \tau X$). Este canal é otimizado para o ATLAS, pois os taus possuem maior momento transversal ($p_T$) e melhor isolamento.
2. Sinal de Sabor Pesado (HF): Produção via decaimentos de hádrons de sabor pesado (principalmente $D_s \to \tau\nu$ e decaimentos diretos de mésons $B$).

Reconstrução e Seleção de Eventos:

• Gatilho (Trigger): Utilização de gatilhos de dois e três múons para capturar eventos com múons de alto momento.
• Reconstrução de Vértices: Os candidatos a decaimento são formados por tríades de múons ($\mu\mu\mu$) com carga total $Q = \pm 1$. Um vértice secundário (SV) é reconstruído a partir das trajetórias dos múons, deslocado em relação ao vértice primário (PV), característico da vida média do tau.
• Cortes de Pré-seleção:
  • Qualidade do vértice ($\chi^2 < 40$).
  • Isolamento: Os candidatos devem estar isolados de atividade hadrônica no calorímetro e de rastros no detector interno (ID).
  • Rejeição de fundo de conversão: Massa invariante de pares de múons dentro da tríade deve ser $> 325$ MeV.
  • Remoção de ressonâncias: Eventos com pares de múons compatíveis com $\omega(782)$ ou $\phi(1020)$ são removidos.

Análise Multivariada (MVA):

• Um classificador Gradient Boosted Decision Tree (BDT), implementado via XGBoost, é utilizado para maximizar a separação entre sinal e fundo.
• Variáveis de Entrada: 18 variáveis, incluindo qualidade do vértice, isolamento de múons, cinemática da tríade e correlações com o momento transversal faltante ($E_T^{miss}$).
• Categorização: Os eventos são divididos em categorias baseadas no escore do BDT (Loose, Medium, Tight) e na região do detector (Barrel: $|\eta| < 1.2$ e Endcap: $1.2 < |\eta| < 2.4$). Isso permite otimizar a sensibilidade considerando a resolução de massa, que é melhor no Barrel (25 MeV) do que no Endcap (34 MeV).

Modelagem de Fundo e Sinal:

• Fundo: Modelado diretamente a partir dos dados nas regiões laterais (sidebands) da massa invariante de três múons ($m_{3\mu}$), fora da região de sinal (1700–1850 MeV). A forma do fundo é parametrizada por uma função exponencial suave.
• Sinal: Parametrizado por uma função de Crystal Ball de dois lados (DSCB) para modelar a distribuição de massa do sinal.
• Ajuste: Um ajuste de verossimilhança máxima não-binned (unbinned) é realizado simultaneamente em todas as 6 categorias (3 categorias BDT $\times$ 2 regiões de detector).

3. Contribuições Chave

• Primeira busca do ATLAS com dados do Run 2: Supera o resultado anterior do Run 1 (8 TeV), aproveitando a maior luminosidade e energia.
• Otimização para fontes Eletrofracas: Diferente de análises anteriores focadas apenas em HF, esta análise otimiza a sensibilidade para o canal $W \to \tau\nu$, que domina a produção de taus com alto momento no LHC.
• Uso avançado de MVA: Aplicação robusta de BDTs para lidar com baixas razões sinal/fundo, utilizando técnicas de k-fold para evitar viés no treinamento.
• Controle Sistemático Rigoroso: Avaliação detalhada de incertezas sistemáticas, incluindo eficiência de gatilho, reconstrução de múons, escala de energia de jatos e modelagem de fundo (incluindo incerteza de "sinal espúrio").

4. Resultados

• Observação: Não foi observada nenhuma evidência significativa de decaimento $\tau \to 3\mu$. Os dados são compatíveis com a hipótese de apenas fundo (background-only).
• Força do Sinal Ajustada: O valor de melhor ajuste para a razão de ramificação é $B(\tau \to 3\mu) = (1.5 \pm 4.0) \times 10^{-8}$.
• Limites Superiores (90% CL):
  • Observado: $B(\tau \to 3\mu) < 8.7 \times 10^{-8}$.
  • Esperado: $B(\tau \to 3\mu) < 7.5 \times 10^{-8}$.
• Comparação: O limite observado é aproximadamente 5 vezes mais rigoroso que o limite anterior do ATLAS (Run 1). A melhoria excede o esperado apenas pelo aumento de luminosidade e energia, sendo atribuída a melhorias no detector (como a camada IBL), triggers mais eficientes e métodos de aprendizado de máquina aprimorados.
• Limites em 95% CL: $10.6 \times 10^{-8}$ (observado) e $9.3 \times 10^{-8}$ (esperado).

5. Significância e Conclusão

Este trabalho representa um marco significativo na busca por nova física no setor de léptons no LHC. Ao estabelecer o limite mais rigoroso do ATLAS para o decaimento $\tau \to 3\mu$ até o momento, o resultado restringe severamente os parâmetros de vários modelos teóricos BSM que preveem violação de sabor leptônico.

Embora o resultado seja limitado pela incerteza estatística (não houve excesso de eventos), a análise demonstra a capacidade do ATLAS de realizar buscas de precisão em canais raros. A colaboração espera melhorar ainda mais a sensibilidade com a análise de dados adicionais do LHC (Run 3 e HL-LHC), o que poderá permitir a descoberta de novos fenômenos físicos ou restringir ainda mais o espaço de parâmetros para teorias além do Modelo Padrão.