La particule la plus connue de la famille des leptons est l'électron, un élément clé de la matière et au cœur de notre compréhension de l'électricité. Mais l'électron n'est pas un enfant unique. Il a deux frères et sœurs plus lourds, le muon et le lepton tau, et ensemble, ils sont connus comme les trois saveurs de leptons. Selon le modèle standard de la physique des particules, la seule différence entre les frères et sœurs devrait être leur masse :le muon est environ 200 fois plus lourd que l'électron, et le tau-lepton est environ 17 fois plus lourd que le muon. C'est une caractéristique remarquable du modèle standard que chaque saveur est également susceptible d'interagir avec un boson W, qui résulte de ce que l'on appelle l'universalité de l'arôme lepton. L'universalité de la saveur Lepton a été sondée dans différents processus et régimes énergétiques avec une grande précision.

Dans une nouvelle étude, décrit dans un article publié aujourd'hui sur arXiv et présenté pour la première fois à la conférence LHCP 2020, la collaboration ATLAS présente une mesure précise de l'universalité de la saveur des leptons à l'aide d'une toute nouvelle technique.

Les physiciens d'ATLAS ont examiné des événements de collision où des paires de quarks top se désintègrent en paires de bosons W, et ensuite en leptons. "Le LHC est une usine à quarks top, et a produit 100 millions de paires de quarks top au cours du cycle 2, " dit Klaus Moenig, Coordinateur physique d'ATLAS. "Cela nous a donné un grand échantillon non biaisé de bosons W se désintégrant en muons et leptons tau, ce qui était essentiel pour cette mesure de haute précision."

Ils ont ensuite mesuré la probabilité relative que le lepton résultant d'une désintégration du boson W soit un muon ou un tau-lepton—un rapport connu sous le nom de R(τ/μ). Selon le modèle standard, R(τ/μ) doit être l'unité, car la force de l'interaction avec un boson W devrait être la même pour un tau-lepton et un muon. Mais il y a eu des tensions à ce sujet depuis les années 1990, lorsque les expériences du grand collisionneur électron-positon (LEP) ont mesuré que R(τ/μ) était de 1,070 ± 0,026, s'écartant de l'attente du modèle standard de 2,7 écarts-types.

La nouvelle mesure ATLAS donne une valeur de R(τ/μ) =0,992 ± 0,013. Il s'agit de la mesure la plus précise du ratio à ce jour, avec une incertitude deux fois moindre que celle de la combinaison des résultats du LEP. La mesure d'ATLAS est en accord avec les attentes du modèle standard et suggère que l'écart précédent avec le LEP peut être dû à une fluctuation.

"Le LHC a été conçu comme une machine de découverte du boson de Higgs et de la nouvelle physique lourde, ", déclare le porte-parole d'ATLAS, Karl Jakobs. "Mais ce résultat démontre en outre que l'expérience ATLAS est également capable d'effectuer des mesures à la frontière de la précision. Notre capacité pour ces types de mesures de précision ne fera que s'améliorer à mesure que nous prendrons plus de données dans Run 3 et au-delà."

Bien qu'il ait survécu à ce dernier test, le principe de l'universalité de la saveur des leptons ne sera pas complètement écarté tant que les anomalies des désintégrations des mésons B enregistrées par l'expérience LHCb n'auront pas été définitivement sondées.