I ett föredrag på den pågående Rencontres de Moriond-konferensen presenterade ATLAS-samarbetet resultatet av sitt senaste test av en nyckelprincip i standardmodellen för partikelfysik, känd som leptonsmakuniversalitet. Precisionen i resultatet är den bästa som hittills uppnåtts av ett enda experiment i sönderfall av W-bosonen och överträffar det för det nuvarande experimentella medelvärdet.
De flesta elementarpartiklar kan klassificeras i grupper eller familjer med liknande egenskaper. Till exempel inkluderar leptonfamiljen elektronen, som bildar det negativt laddade molnet av partiklar som omger kärnan i varje atom, myonen, en tyngre partikel som finns i kosmiska strålar, och tau-leptonen, en ännu tyngre kortlivad partikel endast ses i högenergipartikelinteraktioner.
Såvitt fysiker vet är den enda skillnaden mellan dessa partiklar deras massa, som genereras genom deras olika styrkor av interaktion med det grundläggande fältet som är förknippat med Higgs-bosonen. I synnerhet är en anmärkningsvärd egenskap hos standardmodellen att varje leptontyp, eller "smak", är lika sannolikt att interagera med en W-boson, den elektriskt laddade bäraren av den svaga kraften som är en av de fyra grundläggande naturkrafterna. Denna princip är känd som leptonsmaksuniversalitet.
Högprecisionstester av leptonsmaksuniversalitet, som erhållits genom att jämföra sönderfallshastigheterna för W-bosonen till en elektron och en elektronneutrino, till en myon och en myonneutrino eller till en tau-lepton och en tau neutrino, är därför känsliga fysiksonder bortom standardmodellen. I själva verket, om leptonsmak universalitet håller, bör dessa sönderfallshastigheter vara lika (inom försumbara massberoende korrigeringar).
Detta kan testas genom att mäta förhållandena mellan W-bosonens sönderfallshastigheter i de olika leptonsmakerna. En av utmaningarna förknippade med sådana mätningar vid Large Hadron Collider (LHC) är insamlingen av ett rent ("opartiskt") prov av W-bosoner.
I en tidning utgiven av Nature Physics 2021 rapporterade ATLAS världens mest exakta mätning av förhållandet mellan W-bosonens sönderfallshastighet till en tau-lepton kontra dess sönderfallshastighet till en myon, vilket visar att kollisionshändelser där ett par toppkvarkar produceras ger en riklig och rent prov av W-bosoner.
I en färsk tidningsrelease på arXiv preprint-server, släppte ATLAS en ny mätning, denna gång adresserade förhållandet mellan W-bosonens sönderfallshastighet till en myon kontra dess sönderfallshastighet till en elektron. Medan kombinationen av alla tidigare mätningar visade att detta förhållande ligger inom cirka 0,6 % av enhet, vilket motsvarar lika sönderfallshastigheter, fanns det fortfarande utrymme för förbättringar.
Det nya ATLAS-resultatet är baserat på en studie av dess fullständiga datauppsättning från den andra körningen av LHC, insamlad mellan 2015 och 2018. Analysen tittade på över 100 miljoner topp-kvark-par kollisionshändelser. Den övre kvarken sönderfaller snabbt till en W-boson och en bottenkvark, så detta prov ger 100 miljoner par W-bosoner.
Genom att räkna antalet av dessa händelser med två elektroner (och ingen myon) eller två myoner (och ingen elektron), kan fysiker testa om W-bosonen sönderfaller oftare till en elektron eller en myon.
Det är dock inte så enkelt. Z-bosonen, den elektriskt neutrala bäraren av den svaga kraften, kan också sönderfalla till ett par elektroner eller myoner, vilket ger en liknande experimentell signatur som ett topp-kvarkpar. Eftersom den kombinerade massan av leptonerna i Z-bosonhändelser samlas runt Z-bosonmassan på 91 GeV, kan denna bakgrundsprocess uppskattas och subtraheras.
Dessutom, som ett resultat av mätningar som utfördes på 1990-talet vid CERNs Large Electron-Positron (LEP) Collider, LHC:s föregångare, och vid Stanford Linear Collider (SLC), förhållandet mellan Z-bosonens sönderfallshastighet i två myoner kontra dess sönderfallshastigheten till två elektroner är känd för att vara lika med enhet inom 0,3%.
Sålunda, i denna ATLAS-analys, bestämdes Z-bosonens sönderfallshastighetsförhållande som en referensmätning, vilket gör det möjligt för forskare att minska osäkerheter som kommer från rekonstruktionen av elektroner och myoner. Dessutom, eftersom många mätosäkerheter är likartade i händelserna med två elektroner och de med två myoner, visade sig de endast ha en mindre effekt på det uppmätta förhållandet av avklingningshastighet.
Slutresultatet från denna nya ATLAS-analys är ett förhållande på 0,9995, med en osäkerhet på 0,0045, perfekt kompatibelt med enhet. Med en osäkerhet på endast 0,45 % är resultatet mer exakt än alla tidigare mätningar tillsammans. För nu överlever leptonsmakens universalitet intakt.
Mer information: ATLAS Collaboration, Exakt test av leptonsmaksuniversalitet i W-boson sönderfaller till myoner och elektroner i pp-kollisioner vid s√=13 TeV med ATLAS-detektorn, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.02133
Journalinformation: Naturfysik , arXiv
Tillhandahålls av CERN
