Lors d'une conférence aux Rencontres de Moriond, la collaboration ATLAS a présenté le résultat de son dernier test d'un principe clé du modèle standard de la physique des particules connu sous le nom d'universalité de la saveur leptonique. La précision du résultat est la meilleure jamais obtenue par une seule expérience sur les désintégrations du boson W et dépasse celle de la moyenne expérimentale actuelle.

La plupart des particules élémentaires peuvent être classées en groupes ou familles ayant des propriétés similaires. Par exemple, la famille des leptons comprend l'électron, qui forme le nuage de particules chargées négativement entourant le noyau de chaque atome, le muon, une particule plus lourde présente dans les rayons cosmiques, et le tau-lepton, une particule encore plus lourde et à durée de vie courte. observé dans les interactions de particules à haute énergie.

À la connaissance des physiciens, la seule différence entre ces particules est leur masse, générée par leurs différentes forces d’interaction avec le champ fondamental associé au boson de Higgs. En particulier, une caractéristique remarquable du modèle standard est que chaque type de lepton, ou « saveur », est également susceptible d'interagir avec un boson W, le porteur électriquement chargé de la force faible qui est l'une des quatre forces fondamentales de la nature. Ce principe est connu sous le nom d'universalité de la saveur lepton.

Les tests de haute précision de l'universalité de la saveur du lepton, obtenus en comparant les taux de désintégration du boson W en un électron et un neutrino électronique, en un muon et un neutrino du muon ou en un lepton tau et un neutrino tau, sont donc sensibles. des sondes de physique au-delà du modèle standard. En effet, si l'universalité de la saveur des leptons est vérifiée, ces taux de désintégration devraient être égaux (avec des corrections négligeables dépendant de la masse).

Ceci peut être testé en mesurant les rapports des taux de désintégration du boson W dans les différentes saveurs de leptons. L'un des défis associés à de telles mesures au Grand collisionneur de hadrons (LHC) est la collecte d'un échantillon pur (« impartial ») de bosons W.

Dans un article publié par Nature Physics en 2021, ATLAS a rapporté la mesure la plus précise au monde du rapport entre le taux de désintégration du boson W en un tau-lepton et son taux de désintégration en muon, démontrant que les événements de collision dans lesquels une paire de quarks top est produite fournissent une abondante et un échantillon propre de bosons W.

Dans un récent communiqué sur arXiv serveur de préimpression, ATLAS a publié une nouvelle mesure, abordant cette fois le rapport entre le taux de désintégration du boson W en muon et son taux de désintégration en électron. Bien que la combinaison de toutes les mesures précédentes ait montré que ce rapport se situe à environ 0,6 % de l'unité, correspondant à des taux de désintégration égaux, il y avait encore place à l'amélioration.

Le nouveau résultat d'ATLAS est basé sur une étude de l'ensemble des données de la deuxième exploitation du LHC, collectées entre 2015 et 2018. L'analyse a porté sur plus de 100 millions d'événements de collision entre paires de quarks top. Le quark top se désintègre rapidement en un boson W et un quark bottom, donc cet échantillon fournit 100 millions de paires de bosons W.

En comptant le nombre de ces événements avec deux électrons (et pas de muon) ou deux muons (et pas d'électron), les physiciens peuvent tester si le boson W se désintègre plus souvent en électron ou en muon.

Cependant, ce n'est pas si simple. Le boson Z, porteur électriquement neutre de la force faible, peut également se désintégrer en une paire d'électrons ou de muons, laissant une signature expérimentale similaire à celle d'une paire de quarks top. Puisque la masse combinée des leptons dans les événements du boson Z se regroupe autour de la masse du boson Z de 91 GeV, ce processus de fond peut être estimé et soustrait.

De plus, à la suite de mesures effectuées dans les années 1990 au Grand collisionneur électron-positon (LEP) du CERN, le prédécesseur du LHC, et au collisionneur linéaire de Stanford (SLC), le rapport entre la vitesse de désintégration du boson Z en deux muons et sa vitesse de désintégration en deux muons. on sait que le taux de désintégration en deux électrons est égal à l'unité à 0,3 % près.

Ainsi, dans cette analyse ATLAS, le taux de désintégration du boson Z a été déterminé comme mesure de référence, permettant aux chercheurs de réduire les incertitudes provenant de la reconstruction des électrons et des muons. De plus, comme de nombreuses incertitudes de mesure sont similaires dans les événements avec deux électrons et ceux avec deux muons, elles n'ont qu'un effet mineur sur le rapport des taux de désintégration mesuré.

Le résultat final de cette nouvelle analyse ATLAS est un rapport de 0,9995, avec une incertitude de 0,0045, parfaitement compatible avec l'unité. Avec une incertitude de seulement 0,45 %, le résultat est plus précis que toutes les mesures précédentes réunies. Pour l'instant, l'universalité de la saveur lepton survit intacte.