De meeste elementaire deeltjes kunnen worden ingedeeld in groepen of families met vergelijkbare eigenschappen. De leptonfamilie omvat bijvoorbeeld het elektron, dat de negatief geladen wolk van deeltjes vormt die de kern van elk atoom omringt, het muon, een zwaarder deeltje dat in kosmische straling wordt aangetroffen, en het tau-lepton, een nog zwaarder deeltje met een korte levensduur. gezien bij interacties tussen hoogenergetische deeltjes.

Voor zover natuurkundigen weten is het enige verschil tussen deze deeltjes hun massa, zoals gegenereerd door hun verschillende sterkten van interactie met het fundamentele veld dat geassocieerd is met het Higgsdeeltje. Een opmerkelijk kenmerk van het Standaardmodel is met name dat elk leptontype, of "smaak", even waarschijnlijk interageert met een W-boson, de elektrisch geladen drager van de zwakke kracht die een van de vier fundamentele natuurkrachten is. Dit principe staat bekend als lepton-smaak-universaliteit.

Uiterst nauwkeurige tests van de universaliteit van de smaak van lepton, zoals verkregen door het vergelijken van de vervalsnelheden van het W-boson in een elektron en een elektronenneutrino, in een muon en een muon-neutrino of in een tau-lepton en een tau-neutrino, zijn daarom gevoelig. sondes van de natuurkunde buiten het standaardmodel. Als de universaliteit van de leptonsmaak geldt, zouden deze vervalsnelheden gelijk moeten zijn (binnen verwaarloosbare massa-afhankelijke correcties).

Dit kan worden getest door de verhoudingen van de vervalsnelheid van het W-boson in de verschillende lepton-smaken te meten. Een van de uitdagingen die gepaard gaat met dergelijke metingen bij de Large Hadron Collider (LHC) is het verzamelen van een zuiver ("onbevooroordeeld") monster van W-bosonen.

In een artikel uitgegeven door Nature Physics in 2021 rapporteerde ATLAS 's werelds meest nauwkeurige meting van de verhouding tussen de snelheid van verval van het W-boson tot een tau-lepton versus de snelheid van verval tot een muon, wat aantoont dat botsingsgebeurtenissen waarbij een paar top-quarks worden geproduceerd een overvloedige hoeveelheid en schoon monster van W-bosonen.

In een recente papieren uitgave over de arXiv preprint-server heeft ATLAS een nieuwe meting uitgebracht, deze keer gericht op de verhouding tussen de snelheid van verval van het W-boson tot een muon en de snelheid van verval tot een elektron. Hoewel de combinatie van alle eerdere metingen aantoonde dat deze verhouding binnen ongeveer 0,6% van de eenheid ligt, wat overeenkomt met gelijke vervalsnelheden, was er nog steeds ruimte voor verbetering.

Het nieuwe ATLAS-resultaat is gebaseerd op een studie van de volledige dataset van de tweede run van de LHC, verzameld tussen 2015 en 2018. Bij de analyse werd gekeken naar meer dan 100 miljoen top-quark-paar botsingen. De top-quark vervalt snel in een W-boson en een bottom-quark, dus dit monster levert 100 miljoen paren W-bosonen op.

Door het aantal van deze gebeurtenissen te tellen met twee elektronen (en geen muon) of twee muonen (en geen elektron), kunnen natuurkundigen testen of het W-boson vaker vervalt in een elektron of een muon.

Het is echter niet zo eenvoudig. Het Z-boson, de elektrisch neutrale drager van de zwakke kracht, kan ook vervallen tot een paar elektronen of muonen, waardoor een soortgelijke experimentele signatuur overblijft als die van een top-quarkpaar. Omdat de gecombineerde massa van de leptonen in Z-boson-gebeurtenissen zich concentreert rond de Z-boson-massa van 91 GeV, kan dit achtergrondproces worden geschat en afgetrokken.

Bovendien is, als resultaat van metingen uitgevoerd in de jaren negentig bij de Large Electron-Positron (LEP) Collider van CERN, de voorganger van de LHC, en bij de Stanford Linear Collider (SLC), de verhouding tussen de vervalsnelheid van het Z-boson in twee muonen versus zijn Het is bekend dat de vervalsnelheid in twee elektronen gelijk is aan één binnen 0,3%.

In deze ATLAS-analyse werd dus de vervalsnelheidsverhouding van het Z-boson bepaald als referentiemeting, waardoor onderzoekers de onzekerheden die voortkomen uit de reconstructie van elektronen en muonen konden verminderen. Omdat veel meetonzekerheden vergelijkbaar zijn bij gebeurtenissen met twee elektronen en die met twee muonen, bleek bovendien dat ze slechts een klein effect hadden op de gemeten vervalsnelheidsverhouding.

Het uiteindelijke resultaat van deze nieuwe ATLAS-analyse is een verhouding van 0,9995, met een onzekerheid van 0,0045, wat perfect verenigbaar is met eenheid. Met een onzekerheid van slechts 0,45% is het resultaat nauwkeuriger dan alle eerdere metingen samen. Voorlopig blijft de universaliteit van de leptonsmaak intact.

Meer informatie: ATLAS-samenwerking, nauwkeurige test van de universaliteit van leptonsmaak in W-boson-verval tot muonen en elektronen bij pp-botsingen bij s√=13 TeV met de ATLAS-detector, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.02133

Journaalinformatie: Natuurfysica , arXiv

Geleverd door CERN