La maggior parte delle particelle elementari può essere classificata in gruppi o famiglie con proprietà simili. Ad esempio, la famiglia dei leptoni comprende l’elettrone, che forma la nube di particelle caricate negativamente che circonda il nucleo in ogni atomo, il muone, una particella più pesante che si trova nei raggi cosmici, e il tau-leptone, una particella ancora più pesante e di breve durata. visto nelle interazioni delle particelle ad alta energia.

Per quanto ne sanno i fisici, l’unica differenza tra queste particelle è la loro massa, generata attraverso la loro diversa intensità di interazione con il campo fondamentale associato al bosone di Higgs. In particolare, una caratteristica notevole del Modello Standard è che ogni tipo di leptone, o "sapore", ha la stessa probabilità di interagire con un bosone W, il portatore elettricamente carico della forza debole che è una delle quattro forze fondamentali della natura. Questo principio è noto come universalità del sapore leptonico.

Sono quindi sensibili test ad alta precisione sull’universalità del sapore leptonico, ottenuti confrontando le velocità di decadimento del bosone W in un elettrone e un neutrino elettronico, in un muone e un neutrino muonico o in un leptone tau e un neutrino tau. indagini della fisica oltre il Modello Standard. In effetti, se vale l'universalità del sapore leptonico, questi tassi di decadimento dovrebbero essere uguali (entro correzioni trascurabili dipendenti dalla massa).

Ciò può essere testato misurando i rapporti dei tassi di decadimento del bosone W nei diversi sapori leptonici. Una delle sfide associate a tali misurazioni al Large Hadron Collider (LHC) è la raccolta di un campione puro ("imparziale") di bosoni W.

In un articolo pubblicato da Nature Physics nel 2021, ATLAS ha riportato la misurazione più precisa al mondo del rapporto tra il tasso di decadimento del bosone W in un leptone tau rispetto al suo tasso di decadimento in un muone, dimostrando che gli eventi di collisione in cui viene prodotta una coppia di quark top forniscono un'abbondante e campione pulito di bosoni W.

In un recente comunicato stampa su arXiv server di prestampa, ATLAS ha rilasciato una nuova misurazione, questa volta affrontando il rapporto tra la velocità di decadimento del bosone W in un muone rispetto alla sua velocità di decadimento in un elettrone. Sebbene la combinazione di tutte le misurazioni precedenti abbia mostrato che questo rapporto rientra nello 0,6% circa dell'unità, corrispondente a tassi di decadimento uguali, c'era ancora spazio per miglioramenti.

Il nuovo risultato di ATLAS si basa sullo studio dell’intero set di dati della seconda esecuzione dell’LHC, raccolti tra il 2015 e il 2018. L’analisi ha esaminato oltre 100 milioni di eventi di collisione di coppie di quark top. Il quark top decade rapidamente in un bosone W e in un quark bottom, quindi questo campione fornisce 100 milioni di coppie di bosoni W.

Contando il numero di questi eventi con due elettroni (e senza muone) o due muoni (e senza elettrone), i fisici possono verificare se il bosone W decade più spesso in un elettrone o in un muone.

Tuttavia, non è così semplice. Il bosone Z, il portatore elettricamente neutro della forza debole, può anche decadere in una coppia di elettroni o muoni, lasciando una firma sperimentale simile a quella di una coppia di quark top. Poiché la massa combinata dei leptoni negli eventi del bosone Z si raggruppa attorno alla massa del bosone Z di 91 GeV, questo processo di fondo può essere stimato e sottratto.

Inoltre, come risultato di misurazioni condotte negli anni '90 al Large Electron-Positron (LEP) Collider del CERN, il predecessore dell'LHC, e allo Stanford Linear Collider (SLC), il rapporto tra la velocità di decadimento del bosone Z in due muoni rispetto al suo tasso di decadimento è noto che la velocità di decadimento in due elettroni è pari all'unità entro lo 0,3%.

Pertanto, in questa analisi ATLAS, il rapporto del tasso di decadimento del bosone Z è stato determinato come misura di riferimento, consentendo ai ricercatori di ridurre le incertezze derivanti dalla ricostruzione di elettroni e muoni. Inoltre, poiché molte incertezze di misurazione sono simili negli eventi con due elettroni e in quelli con due muoni, si è scoperto che hanno solo un effetto minore sul rapporto del tasso di decadimento misurato.

Il risultato finale di questa nuova analisi ATLAS è un rapporto di 0,9995, con un'incertezza di 0,0045, perfettamente compatibile con l'unità. Con un'incertezza di solo lo 0,45%, il risultato è più preciso di tutte le misurazioni precedenti messe insieme. Per ora, l'universalità del sapore leptonico sopravvive intatta.