Examinando o delicado equilíbrio dos sabores leptônicos

Medições da razão entre a taxa de decaimento do bóson W em um múon versus sua taxa de decaimento em um elétron. O novo resultado do ATLAS é mostrado na última linha como um círculo azul aberto. As medições anteriores são mostradas acima usando símbolos sólidos, e a média do Grupo de Dados de Partículas de todos os resultados anteriores é mostrada usando um losango preto. Crédito:ATLAS/CERN

Numa palestra na conferência Rencontres de Moriond, a colaboração ATLAS apresentou o resultado do seu mais recente teste de um princípio-chave do Modelo Padrão da física de partículas conhecido como universalidade do sabor leptónico. A precisão do resultado é a melhor já alcançada por um único experimento em decaimentos do bóson W e supera a da média experimental atual.

A maioria das partículas elementares pode ser classificada em grupos ou famílias com propriedades semelhantes. Por exemplo, a família dos léptons inclui o elétron, que forma a nuvem de partículas com carga negativa que envolve o núcleo de cada átomo, o múon, uma partícula mais pesada encontrada nos raios cósmicos, e o tau-lépton, uma partícula ainda mais pesada e de vida curta. visto em interações de partículas de alta energia.

Tanto quanto os físicos sabem, a única diferença entre estas partículas é a sua massa, gerada através das suas diferentes forças de interacção com o campo fundamental associado ao bóson de Higgs. Em particular, uma característica notável do Modelo Padrão é que cada tipo de leptão, ou “sabor”, tem a mesma probabilidade de interagir com um bóson W, o portador eletricamente carregado da força fraca que é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Este princípio é conhecido como universalidade do sabor leptônico.

Testes de alta precisão de universalidade do sabor do leptão, obtidos pela comparação das taxas de decaimento do bóson W em um elétron e um neutrino de elétron, em um múon e um neutrino de múon ou em um tau-lépton e um neutrino de tau, são, portanto, sensíveis sondagens da física além do Modelo Padrão. Na verdade, se a universalidade do sabor leptônico for mantida, essas taxas de decaimento deveriam ser iguais (dentro de correções insignificantes dependentes da massa).

Isso pode ser testado medindo as proporções das taxas de decaimento do bóson W nos diferentes sabores de leptões. Um dos desafios associados a tais medições no Large Hadron Collider (LHC) é a coleta de uma amostra pura ("imparcial") de bósons W.

Em um artigo publicado pela Nature Physics em 2021, ATLAS relatou a medição mais precisa do mundo da razão entre a taxa de decaimento do bóson W em um tau-lépton versus sua taxa de decaimento em um múon, demonstrando que eventos de colisão nos quais um par de quarks top é produzido fornecem um abundante e amostra limpa de bósons W.

Em um lançamento recente no arXiv servidor de pré-impressão, ATLAS lançou uma nova medição, desta vez abordando a razão entre a taxa de decaimento do bóson W em um múon versus sua taxa de decaimento em um elétron. Embora a combinação de todas as medições anteriores tenha mostrado que esta relação está dentro de cerca de 0,6% da unidade, correspondendo a taxas de decaimento iguais, ainda há espaço para melhorias.

O novo resultado do ATLAS baseia-se num estudo do conjunto completo de dados da segunda execução do LHC, recolhidos entre 2015 e 2018. A análise analisou mais de 100 milhões de eventos de colisão de pares de quarks superiores. O quark top decai rapidamente em um bóson W e um quark bottom, então esta amostra fornece 100 milhões de pares de bósons W.

Contando o número desses eventos com dois elétrons (e nenhum múon) ou dois múons (e nenhum elétron), os físicos podem testar se o bóson W decai com mais frequência em um elétron ou em um múon.

No entanto, não é tão simples. O bóson Z, o portador eletricamente neutro da força fraca, também pode decair em um par de elétrons ou múons, deixando uma assinatura experimental semelhante à de um par de quarks top. Como a massa combinada dos léptons nos eventos do bóson Z se agrupa em torno da massa do bóson Z de 91 GeV, esse processo de fundo pode ser estimado e subtraído.

Além disso, como resultado de medições realizadas na década de 1990 no Large Electron-Positron (LEP) Collider do CERN, o antecessor do LHC, e no Stanford Linear Collider (SLC), a razão entre a taxa de decaimento do bóson Z em dois múons versus seu sabe-se que a taxa de decaimento em dois elétrons é igual à unidade dentro de 0,3%.

Assim, nesta análise ATLAS, a taxa de decaimento do bóson Z foi determinada como medida de referência, permitindo aos pesquisadores reduzir as incertezas provenientes da reconstrução de elétrons e múons. Além disso, como muitas incertezas de medição são semelhantes nos eventos com dois elétrons e naqueles com dois múons, descobriu-se que elas tinham apenas um efeito mínimo na taxa de decaimento medida.

O resultado final desta nova análise ATLAS é um rácio de 0,9995, com uma incerteza de 0,0045, perfeitamente compatível com a unidade. Com uma incerteza de apenas 0,45%, o resultado é mais preciso do que todas as medições anteriores combinadas. Por enquanto, a universalidade do sabor leptônico sobrevive intacta.

Mais informações: Colaboração ATLAS, teste preciso da universalidade do sabor do leptão no decaimento do bóson W em múons e elétrons em colisões pp em s√=13 TeV com o detector ATLAS, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.02133
Informações do diário: Física da Natureza , arXiv

Fornecido pelo CERN

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