La particella più nota della famiglia dei leptoni è l'elettrone, un elemento fondamentale della materia e centrale per la nostra comprensione dell'elettricità. Ma l'elettrone non è figlio unico. Ha due fratelli più pesanti, il muone e il leptone tau, e insieme sono conosciuti come i tre sapori leptonici. Secondo il Modello Standard della fisica delle particelle, l'unica differenza tra i fratelli dovrebbe essere la loro massa:il muone è circa 200 volte più pesante dell'elettrone, e il tau-leptone è circa 17 volte più pesante del muone. È una caratteristica notevole del Modello Standard che ogni sapore ha la stessa probabilità di interagire con un bosone W, che risulta dalla cosiddetta universalità del sapore leptonico. L'universalità del sapore del leptone è stata sondata in diversi processi e regimi energetici con alta precisione.

In un nuovo studio, descritto in un articolo pubblicato oggi su arXiv e presentato per la prima volta alla conferenza LHCP 2020, la collaborazione ATLAS presenta una misurazione precisa dell'universalità del sapore del leptone utilizzando una tecnica nuova di zecca.

I fisici di ATLAS hanno esaminato gli eventi di collisione in cui coppie di quark top decadono in coppie di bosoni W, e successivamente in leptoni. "LHC è una fabbrica di quark top, e ha prodotto 100 milioni di coppie di quark top durante il Run 2, "dice Klaus Moenig, Coordinatore di Fisica ATLAS. "Questo ci ha fornito un ampio campione imparziale di bosoni W che decadono in muoni e leptoni tau, che era essenziale per questa misurazione di alta precisione."

Hanno quindi misurato la probabilità relativa che il leptone risultante da un decadimento del bosone W sia un muone o un tau-leptone, un rapporto noto come R(τ/μ). Secondo il Modello Standard, R(τ/μ) dovrebbe essere l'unità, poiché la forza dell'interazione con un bosone W dovrebbe essere la stessa per un tau-leptone e un muone. Ma c'è stata tensione su questo fin dagli anni '90, quando gli esperimenti al collisore Large Electron-Positron (LEP) hanno misurato R(τ/μ) come 1.070 ± 0.026, deviando dalle aspettative del Modello Standard di 2,7 deviazioni standard.

La nuova misura ATLAS fornisce un valore di R(τ/μ) =0,992 ± 0,013. Questa è la misura più precisa del rapporto fino ad oggi, con un'incertezza dimezzata rispetto a quella derivante dalla combinazione dei risultati della LEP. La misurazione ATLAS è in accordo con le aspettative del Modello Standard e suggerisce che la precedente discrepanza LEP potrebbe essere dovuta a una fluttuazione.

"LHC è stato progettato come una macchina per la scoperta del bosone di Higgs e della nuova fisica pesante, ", afferma il portavoce di ATLAS Karl Jakobs. "Ma questo risultato dimostra ulteriormente che l'esperimento ATLAS è anche in grado di eseguire misurazioni alla frontiera della precisione. La nostra capacità per questi tipi di misurazioni di precisione migliorerà solo man mano che raccoglieremo più dati nella corsa 3 e oltre".

Sebbene sia sopravvissuto a questo ultimo test, il principio dell'universalità del sapore dei leptoni non sarà completamente fuori dai giochi fino a quando non saranno state definitivamente sondate anche le anomalie nei decadimenti del mesone B registrate dall'esperimento LHCb.