Den mest kända partikeln i leptonfamiljen är elektronen, en viktig byggsten för materia och central för vår förståelse av el. Men elektronen är inte ett enda barn. Den har två tyngre syskon, muon och tau lepton, och tillsammans är de kända som de tre leptonsmakarna. Enligt standardmodellen för partikelfysik, den enda skillnaden mellan syskonen bör vara deras massa:muonen är cirka 200 gånger tyngre än elektronen, och tau-lepton är ungefär 17 gånger tyngre än muon. Det är en anmärkningsvärd egenskap hos standardmodellen att varje smak är lika sannolikt att interagera med en W boson, som härrör från den så kallade leptonsmakens universalitet. Leptonsmakens universalitet har undersökts i olika processer och energiregimer till hög precision.

I en ny studie, beskrivs i en uppsats som publicerades idag på arXiv och först presenterades vid LHCP 2020 -konferensen, ATLAS-samarbetet presenterar en exakt mätning av leptonsmakens universalitet med en helt ny teknik.

ATLAS -fysiker undersökte kollisionshändelser där par av toppkvarker förfaller till par W bosoner, och därefter till leptoner. "LHC är en toppkvarkfabrik, och producerade 100 miljoner toppkvarkpar under körning 2, "säger Klaus Moenig, ATLAS fysikkoordinator. "Detta gav oss ett stort opartiskt urval av W bosoner som förfallit till muoner och tau leptoner, vilket var avgörande för denna högprecisionsmätning. "

De mätte sedan den relativa sannolikheten för att leptonen som härrör från ett W-bosonförfall är en muon eller en tau-lepton-ett förhållande som kallas R (τ/μ). Enligt standardmodellen, R (τ/μ) bör vara enhet, eftersom styrkan i interaktionen med en W boson bör vara densamma för en tau-lepton och en muon. Men det har varit spänning om detta ända sedan 1990-talet då experiment med Large Electron-Positron (LEP) -kollidern mätte R (τ/μ) till 1,070 ± 0,026, avviker från standardmodellens förväntningar med 2,7 standardavvikelser.

Den nya ATLAS -mätningen ger ett värde på R (τ/μ) =0,992 ± 0,013. Detta är den mest exakta mätningen av förhållandet hittills, med en osäkerhet som är hälften så stor som kombinationen av LEP -resultat. ATLAS -mätningen överensstämmer med standardmodellens förväntningar och antyder att den tidigare LEP -avvikelsen kan bero på fluktuationer.

"LHC designades som en upptäcktsmaskin för Higgs boson och tung ny fysik, "säger ATLAS talesperson Karl Jakobs." Men detta resultat visar vidare att ATLAS -experimentet också kan mäta vid precisionsgränsen. Vår kapacitet för dessa typer av precisionsmätningar kommer bara att förbättras när vi tar mer data i körning 3 och senare. "

Även om det har överlevt detta senaste test, principen om leptonsmakens universalitet kommer inte att vara helt borta från skogen förrän avvikelserna i B-mesonförfall som registrerats av LHCb-experimentet också har undersökts definitivt.