Измерения отношения скорости распада W-бозона на мюон к скорости его распада на электрон. Новый результат ATLAS показан в последней строке в виде открытого синего кружка. Предыдущие измерения показаны выше сплошными символами, а среднее значение всех предыдущих результатов по группе данных частиц показано черным ромбом.
Фото: АТЛАС/ЦЕРН.

В докладе на проходящей конференции Rencontres de Moriond коллаборация ATLAS представила результат своего последнего испытания ключевого принципа Стандартной модели физики элементарных частиц, известного как универсальность лептонного аромата. Точность результата является лучшей, когда-либо достигнутой в одном эксперименте по распаду W-бозона, и превосходит текущие экспериментальные средние значения.

Большинство элементарных частиц можно разделить на группы или семейства со схожими свойствами. Например, семейство лептонов включает в себя электрон, который образует отрицательно заряженное облако частиц, окружающее ядро в каждом атоме, мюон, более тяжелую частицу, встречающуюся в космических лучах, и тау-лептон, еще более тяжелую, только короткоживущую частицу, что наблюдается во взаимодействиях частиц высоких энергий.

Насколько известно физикам, единственная разница между этими частицами — это их масса, возникающая за счет разной силы взаимодействия с фундаментальным полем, связанным с бозоном Хиггса. В частности, примечательной особенностью Стандартной модели является то, что каждый тип лептона, или «аромат», с одинаковой вероятностью взаимодействует с W-бозоном, электрически заряженным носителем слабого взаимодействия, которое является одной из четырех фундаментальных сил природы. Этот принцип известен как универсальность лептонного аромата.

Поэтому высокоточные тесты универсальности лептонного аромата, полученные путем сравнения скоростей распада W-бозона на электрон и электронное нейтрино, на мюон и мюонное нейтрино или на тау-лептон и тау-нейтрино, являются чувствительными исследования физики за пределами Стандартной модели. Действительно, если сохраняется универсальность аромата лептона, эти скорости распада должны быть равны (с пренебрежимо малыми поправками, зависящими от массы).

Это можно проверить, измерив отношения скоростей распада W-бозона на различные ароматы лептонов. Одной из проблем, связанных с такими измерениями на Большом адронном коллайдере (БАК), является сбор чистой («несмещенной») выборки W-бозонов.

В статье, опубликованной Nature Physics в 2021 году, ATLAS сообщил о наиболее точном в мире измерении отношения скорости распада W-бозона на тау-лептон к скорости его распада на мюон, продемонстрировав, что события столкновения, в которых пара образование топ-кварков обеспечивает обильный и чистый образец W-бозонов.

В недавнем выпуске статьи на сервере препринтов arXiv компания ATLAS опубликовала новое измерение, на этот раз касающееся соотношения скорости распада W-бозона в мюон и скорости его распада в электрон. Хотя комбинация всех предыдущих измерений показала, что это соотношение находится в пределах примерно 0,6% от единицы, что соответствует равным скоростям распада, все еще есть возможности для улучшения.

Новый результат ATLAS основан на изучении полного набора данных второго запуска БАКа, собранных в период с 2015 по 2018 год. В ходе анализа было рассмотрено более 100 миллионов событий столкновений пар топ-кварков. Верхний кварк быстро распадается на W-бозон и нижний кварк, поэтому этот образец содержит 100 миллионов пар W-бозонов.

Подсчитав количество этих событий с двумя электронами (и без мюона) или с двумя мюонами (и без электрона), физики могут проверить, распадается ли W-бозон чаще на электрон или на мюон.

Однако все не так просто. Z-бозон, электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия, также может распасться на пару электронов или мюонов, оставляя экспериментальную сигнатуру, аналогичную паре топ-кварков. Поскольку совокупная масса лептонов в событиях Z-бозона группируется вокруг массы Z-бозона 91 ГэВ, этот фоновый процесс можно оценить и вычесть.

Более того, в результате измерений, проведенных в 1990-е годы на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) ЦЕРН, предшественнике БАКа, и на Стэнфордском линейном коллайдере (SLC), было установлено соотношение скорости распада Z-бозона на два мюона по сравнению с его скоростью распада. Известно, что скорость распада на два электрона равна единице с точностью до 0,3%.

Таким образом, в этом анализе ATLAS коэффициент скорости распада Z-бозона был определен в качестве эталонного измерения, что позволило исследователям уменьшить неопределенности, возникающие при реконструкции электронов и мюонов. Кроме того, поскольку многие неопределенности измерений одинаковы в событиях с двумя электронами и в событиях с двумя мюонами, было обнаружено, что они оказывают лишь незначительное влияние на измеренное соотношение скоростей распада.

Конечным результатом этого нового анализа ATLAS является соотношение 0,9995 с неопределенностью 0,0045, что идеально совместимо с единицей. При погрешности всего 0,45% результат является более точным, чем все предыдущие измерения вместе взятые. На данный момент универсальность лептонного аромата сохраняется.