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

在我们所理解的宇宙中，被称为轻子的粒子分为三个截然不同的家族：电子、缪子和陶子。几十年来，基础物理定律一直认为这些家族是严格分离的。电子绝不应该自发变成缪子，正如缪子绝不应该变成电子。这种“味守恒”的规则是标准模型（我们目前关于自然界最小构建模块如何相互作用的最佳理论）的基石。然而，我们知道这条规则对于所有粒子而言并非绝对。中微子——这些带电轻子的幽灵亲戚——在传播过程中已知会改变其“味”，这一发现曾荣获诺贝尔奖，并证明了自然的本质比我们最简单的方程所暗示的更加灵活。这向物理学家提出了一个诱人的问题：如果中微子可以打破规则，那么这些更重的、带电的版本是否也能做到呢？如果在高能碰撞中发现一次电子与缪子交换身份的实例，那将是新物理学的有力证据，指向那些存在于我们当前理解之外的力量或粒子。

为了搜寻这种罕见的转化，位于瑞士的大型强子对撞机科学家们将注意力转向了已知最重的基本粒子：顶夸克。这种粒子质量极大，以至于在产生后极短的时间内就会发生衰变，瞬间消失。ATLAS实验是一个规模如大教堂般宏大的探测器，环绕在碰撞点周围，它已经记录了数十亿次此类碰撞。在最近的一项分析中，团队筛选了对应于140反费米米（inverse femtobarns）碰撞的数据，这一数据量代表了该探测器在第二次主要运行期间收集的完整数据集。他们正在寻找一种非常特定且异常的特征：一个顶夸克并没有按照通常的粒子组合进行衰变，而是分裂成三个带电粒子——一个电子、一个缪子和一个由其他粒子组成的喷注（jet）——而同一次事件中的第二个顶夸克则表现正常。这种在单个顶夸克中同时出现电子和缪子的特定组合，将是对味守恒规则的明确违背。

研究人员通过寻找两种可能导致此类违背的方式来进行这项搜索。第一种情景涉及单个顶夸克在产生时直接伴随着这对轻子，而第二种情景涉及一对顶夸克的产生，其中一个顶夸克以这种被禁止的方式进行衰变。由于他们正在搜寻的信号预计极其微弱，埋没在大量的普通背景事件之下，团队使用了复杂的计算机算法来将信号从噪声中区分出来。这些算法就像一个经过高度训练的过滤器，学习识别粒子能量和方向中的细微模式，从而判断一个顶夸克是否表现异常。他们专注于包含恰好三个带电粒子（电子或缪子）且至少有一个碎片喷注的事件，并仔细剔除了任何看起来像常见背景过程（例如Z玻色子的衰变，后者可能会模拟该信号）的事件。

在运行分析后，团队并未发现他们正在寻找的带电轻子味违背现象。他们观察到的事件数量与标准模型的预测完全吻可能，数据中没有出现任何奇异的过剩。这种“零结果”本身也是一项重要的发现。它使科学家能够对这种被禁止的衰变可能发生的频率设定严格的限制。他们计算出，如果这种过程确实存在，它必须极其罕见，发生频率低于每几亿个顶夸克衰变中的一次。具体而言，他们确定，顶夸克衰变为一个电子、一个缪子和一个上夸克的概率小于十亿分之六，而其衰变为一个电子、一个缪子和一个粲夸克的概率小于千万分之三。

这些限制被转化为对实现这种违背所需的理论“强度”的新物理力量的约束。研究人员发现，任何能够引起这种效应的新物理，其强度必须极其微弱，或者存在于远超当前对撞机所能达到的能量尺度之上。这项研究有效地排除了广泛的理论模型，这些模型曾预测此类违背在当前数据量下应该是可见的。虽然这次搜索并未发现他们所希望的新粒子或新力，但它成功缩小了寻找新物理学可能隐藏之处的地图范围。信号的缺失证实了标准模型在该领域依然稳固，但也为未来使用更强大的机器继续寻找自然法则裂痕的实验奠定了基础。