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

No universo como o entendemos, partículas chamadas léptons surgem em três famílias distintas: elétrons, múons e taus. Por décadas, as leis fundamentais da física sustentaram que essas famílias são estritamente separadas. Um elétron nunca deveria se transformar espontaneamente em um múon, assim como um múon nunca deveria se tornar um elétron. Esta regra de "conservação de sabor" é uma pedra angular do Modelo Padrão, a melhor teoria que temos para como as menores unidades de construção da natureza interagem. No entanto, sabemos que esta regra não é absoluta para todas as partículas. Os neutrinos, os primos fantasmagóricos desses léptons carregados, são conhecidos por mudar seu sabor enquanto viajam, uma descoberta que rendeu um Prêmio Nobel e provou que a natureza é mais fluida do que nossas equações mais simples sugerem. Isso levanta uma questão instigante para os físicos: se os neutrinos podem quebrar as regras, poderiam as versões carregadas e mais pesadas dessas partículas fazer o mesmo? Encontrar um único exemplo onde um elétron e um múon trocam de identidade em uma colisão de alta energia seria uma prova cabal de nova física, apontando para forças ou partículas que existem além do nosso entendimento atual.

Para caçar essa transformação rara, cientistas no Grande Colisor de Hádrons na Suíça voltaram sua atenção para a partícula elementar mais pesada conhecida: o quark top. Esta partícula é tão massiva que decai quase instantaneamente, desaparecendo em uma fração de segundo após ser criada. O experimento ATLAS, um detector massivo do tamanho de uma catedral que envolve o ponto de colisão, tem registrado bilhões dessas colisões. Em uma análise recente, a equipe vasculhou dados correspondentes a 140 femtobarns inversos de colisões, um volume de informação que representa todo o conjunto de dados coletado pelo detector durante sua segunda grande fase de operação. Eles procuravam por uma assinatura muito específica e incomum: um quark top que, em vez de decair na mistura usual de partículas, divide-se em três partículas carregadas — um elétron, um múon e um jato de outras partículas — enquanto um segundo quark top no mesmo evento se comporta normalmente. Esta combinação específica de um elétron e um múon aparecendo juntos a partir de um único quark top seria uma clara violação da regra de conservação de sabor.

Os pesquisadores abordaram esta busca observando duas maneiras diferentes pelas quais tal violação poderia ocorrer. O primeiro cenário envolve um único quark top sendo criado diretamente ao lado do par de léptons, enquanto o segundo envolve um par de quarks top sendo criados, onde um deles decai desta maneira proibida. Como o sinal que eles estão caçando deve ser incrivelmente tênue, enterrado sob uma montanha de eventos comuns de fundo, a equipe utilizou algoritmos de computador sofisticados para distinguir o sinal do ruído. Esses algoritmos agiram como um filtro altamente treinado, aprendendo a reconhecer os padrões sutis na energia e na direção das partículas que indicariam que um quark top havia se comportado de forma estranha. Eles focaram em eventos contendo exatamente três partículas carregadas — elétrons ou múons — e pelo menos um jato de detritos, removendo cuidadosamente quaisquer eventos que parecessem processos comuns de fundo, como o decaimento de um bóson Z, que pode mimetizar o sinal.

Após executar sua análise, a equipe não encontrou evidências da violação de sabor de léptons carregados que buscava. O número de eventos observados coincidiu perfeitamente com as previsões do Modelo Padrão, sem que quaisquer excessos estranhos aparecessem nos dados. Este resultado nulo é, por si só, uma descoberta significativa. Ele permite que os cientistas estabeleçam limites rigorosos sobre o quão frequentemente esse decaimento proibido poderia possivelmente acontecer. Eles calcularam que, se tal processo ocorre, deve ser incrivelmente raro, acontecendo menos de uma vez a cada centenas de milhões de decaimentos de quark top. Especificamente, determinaram que a probabilidade de um quark top decair em um elétron, um múon e um quark up é inferior a seis em um bilhão, enquanto a probabilidade de ele decair em um elétron, um múon e um quark charm é inferior a três em dez milhões.

Esses limites são traduzidos em restrições sobre a "força" teórica das novas forças que seriam necessárias para fazer essa violação acontecer. Os pesquisadores descobriram que qualquer nova física capaz de causar esse efeito deve ser extremamente fraca ou existir em escalas de energia muito além do que o colisor atual pode alcançar. O estudo efetivamente descarta uma ampla gama de modelos teóricos que previam que essas violações seriam comuns o suficiente para serem vistas com a quantidade atual de dados. Embora a busca não tenha encontrado a nova partícula ou força que esperavam, ela conseguiu estreitar o mapa de onde essa nova física poderia estar se escondendo. A ausência de um sinal confirma que o Modelo Padrão permanece robusto neste domínio, mas também prepara o terreno para experimentos futuros com máquinas ainda mais poderosas para continuar a caçada pelas rachaduras nas regras da natureza.