Undersøgelse af den delikate balance mellem leptonsmag

I et foredrag på den igangværende Rencontres de Moriond-konference præsenterede ATLAS-samarbejdet resultatet af sin seneste test af et nøgleprincip i standardmodellen for partikelfysik kendt som leptonsmagsuniversalitet. Præcisionen af ​​resultatet er den bedste, der endnu er opnået ved et enkelt eksperiment i henfald af W-bosonen og overgår det nuværende eksperimentelle gennemsnit.

De fleste elementarpartikler kan klassificeres i grupper eller familier med lignende egenskaber. For eksempel inkluderer leptonfamilien elektronen, som danner den negativt ladede sky af partikler, der omgiver kernen i hvert atom, myonen, en tungere partikel, der findes i kosmiske stråler, og tau-leptonen, en endnu tungere partikel med kort levetid. ses i højenergipartikelinteraktioner.

Så vidt fysikere ved, er den eneste forskel mellem disse partikler deres masse, som genereret gennem deres forskellige styrker af interaktion med det fundamentale felt, der er forbundet med Higgs-bosonen. Især er et bemærkelsesværdigt træk ved standardmodellen, at hver leptontype eller "smag", er lige tilbøjelig til at interagere med en W-boson, den elektrisk ladede bærer af den svage kraft, der er en af ​​de fire grundlæggende naturkræfter. Dette princip er kendt som leptonsmagsuniversalitet.

Højpræcisionstest af leptonsmags universalitet, som opnået ved at sammenligne hastighederne for henfald af W-bosonen til en elektron og en elektronneutrino, til en myon og en myonneutrino eller til en tau-lepton og en tau neutrino, er derfor følsomme sonder af fysik ud over standardmodellen. Faktisk, hvis leptonsmags universalitet holder, bør disse henfaldshastigheder være ens (inden for ubetydelige masseafhængige korrektioner).

Dette kan testes ved at måle forholdet mellem W-bosonens henfaldshastigheder i de forskellige leptonsmag. En af udfordringerne forbundet med sådanne målinger ved Large Hadron Collider (LHC) er indsamlingen af ​​en ren ("uvildig") prøve af W-bosoner.

I et papir udgivet af Nature Physics i 2021 rapporterede ATLAS verdens mest præcise måling af forholdet mellem W-bosonens henfaldshastighed til en tau-lepton versus dens henfaldshastighed til en myon, hvilket demonstrerede, at kollisionsbegivenheder, hvor et par topkvarker produceres, giver en rigelig og ren prøve af W bosoner.

I en nylig papirudgivelse på arXiv preprint-server, udgav ATLAS en ny måling, denne gang omhandlede forholdet mellem W-bosonens henfaldshastighed til en myon versus dens henfaldshastighed til en elektron. Selvom kombinationen af ​​alle tidligere målinger viste, at dette forhold er inden for ca. 0,6 % af enhed, svarende til samme henfaldshastighed, var der stadig plads til forbedringer.

Det nye ATLAS-resultat er baseret på en undersøgelse af dets fulde datasæt fra den anden kørsel af LHC, indsamlet mellem 2015 og 2018. Analysen så på over 100 millioner top-kvark-par kollisionshændelser. Den øverste kvark henfalder prompte til en W-boson og en bundkvark, så denne prøve giver 100 millioner par W-bosoner.

Ved at tælle antallet af disse hændelser med to elektroner (og ingen myon) eller to myoner (og ingen elektron), kan fysikere teste, om W-bosonen henfalder oftere til en elektron eller en myon.

Det er dog ikke så enkelt. Z-bosonen, den elektrisk neutrale bærer af den svage kraft, kan også henfalde til et par elektroner eller myoner, hvilket efterlader en lignende eksperimentel signatur som et top-kvark-par. Da den kombinerede masse af leptonerne i Z-boson-hændelser klynger sig omkring Z-boson-massen på 91 GeV, kan denne baggrundsproces estimeres og trækkes fra.

Som et resultat af målinger udført i 1990'erne ved CERN's Large Electron-Positron (LEP) Collider, LHC's forgænger, og ved Stanford Linear Collider (SLC), er forholdet mellem Z-bosonens henfaldshastighed i to myoner i forhold til dens hastigheden for henfald i to elektroner er kendt for at være lig med enhed inden for 0,3%.

I denne ATLAS-analyse blev Z-bosonens henfaldshastighedsforhold således bestemt som en referencemåling, hvilket gør det muligt for forskere at reducere usikkerheder, der kommer fra rekonstruktionen af ​​elektroner og myoner. Da mange måleusikkerheder desuden er ens i hændelser med to elektroner og dem med to myoner, viste de sig kun at have en mindre effekt på det målte forhold med henfaldshastighed.

Det endelige resultat fra denne nye ATLAS-analyse er et forhold på 0,9995, med en usikkerhed på 0,0045, perfekt kompatibelt med enhed. Med en usikkerhed på kun 0,45% er resultatet mere præcist end alle tidligere målinger tilsammen. Indtil videre overlever leptonsmagsuniversalitet intakt.

Flere oplysninger: ATLAS-samarbejde, præcis test af leptonsmags universalitet i W-boson-henfald til myoner og elektroner i pp-kollisioner ved s√=13 TeV med ATLAS-detektoren, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.02133

Journaloplysninger: Naturfysik , arXiv

Leveret af CERN