Het bekendste deeltje in de leptonfamilie is het elektron, een belangrijke bouwsteen van materie en centraal in ons begrip van elektriciteit. Maar het elektron is niet enig kind. Het heeft twee zwaardere broers en zussen, het muon en het tau-lepton, en samen staan ​​ze bekend als de drie lepton-smaken. Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica, het enige verschil tussen de broers en zussen zou hun massa moeten zijn:het muon is ongeveer 200 keer zwaarder dan het elektron, en het tau-lepton is ongeveer 17 keer zwaarder dan het muon. Het is een opmerkelijk kenmerk van het standaardmodel dat elke smaak even waarschijnlijk een interactie aangaat met een W-boson, die het gevolg is van de zogenaamde universaliteit van de lepton-smaak. De universaliteit van Lepton-smaak is met hoge precisie onderzocht in verschillende processen en energieregimes.

In een nieuwe studie, beschreven in een paper dat vandaag op de arXiv is geplaatst en voor het eerst is gepresenteerd op de LHCP 2020-conferentie, de ATLAS-samenwerking presenteert een nauwkeurige meting van de universaliteit van leptonsmaak met behulp van een gloednieuwe techniek.

Natuurkundigen van ATLAS onderzochten botsingen waarbij paren top-quarks vervallen tot paren W-bosonen, en vervolgens in leptonen. "De LHC is een top-quarkfabriek, en produceerde 100 miljoen top-quarkparen tijdens run 2, " zegt Klaus Moenig, ATLAS Natuurkunde Coördinator. "Dit gaf ons een groot onbevooroordeeld monster van W-bosonen die vervallen tot muonen en tau-leptonen, wat essentieel was voor deze uiterst nauwkeurige meting."

Vervolgens maten ze de relatieve kans dat het lepton dat resulteert uit een W-bosonverval een muon of een tau-lepton is - een verhouding die bekend staat als R(τ/μ). Volgens het standaardmodel, R(τ/μ) moet eenheid zijn, aangezien de sterkte van de interactie met een W-boson hetzelfde moet zijn voor een tau-lepton en een muon. Maar er is hier al sinds de jaren negentig spanning over toen experimenten bij de Large Electron-Positron (LEP) -versneller R(τ/μ) meten als 1,070 ± 0,026, 2,7 standaarddeviaties afwijken van de verwachting van het Standaardmodel.

De nieuwe ATLAS-meting geeft een waarde van R(τ/μ) =0,992 ± 0,013. Dit is de meest nauwkeurige meting van de verhouding tot nu toe, met een onzekerheid die half zo groot is als die van de combinatie van LEP-resultaten. De ATLAS-meting is in overeenstemming met de verwachting van het Standaardmodel en suggereert dat het eerdere LEP-verschil te wijten kan zijn aan een fluctuatie.

"De LHC is ontworpen als een ontdekkingsmachine voor het Higgs-deeltje en zware nieuwe fysica, ", zegt ATLAS-woordvoerder Karl Jakobs. "Maar dit resultaat toont verder aan dat het ATLAS-experiment ook in staat is tot metingen aan de precisiegrens. Onze capaciteit voor dit soort precisiemetingen zal alleen maar verbeteren naarmate we meer gegevens verzamelen in Run 3 en daarna."

Hoewel het deze laatste test heeft overleefd, het principe van de universaliteit van de lepton-smaak zal niet volledig uit het bos zijn totdat de anomalieën in B-meson-verval die zijn geregistreerd door het LHCb-experiment ook definitief zijn onderzocht.