Search for lepton-flavour-violating decays of the $Z$ boson into a $\tau$-lepton and a light lepton with the ATLAS detector

<jats:p>Lepton flavour violation in the charged lepton sector is an unambiguous signal of physics beyond the Standard Model. Searches for lepton flavour violation in decays of the <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>Z</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3. org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> boson with the ATLAS detector is reported, focusing on decays into an electron or muon and a hadronically decaying <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>\tau</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3. org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mi>τ</mml:mi></mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>-lepton, using <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>pp</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3. org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> collisions data with a centre-of-mass energy of 13 TeV. Upper limits on the branching ratios of lepton-flavor-violating decays are set at the 95% confidence level: <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>\mathcal{B}(Z\to e\tau) < 5.8\times10^{-5}</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3. org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>ℬ</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false" form="prefix">(</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" form="postfix">)</mml:mo><mml:mo><</mml:mo><mml:mn>5.8</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> and <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>\mathcal{B}(Z\to \mu\tau) < 2.4\times10^{-5}</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3. org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>ℬ</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false" form="prefix">(</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" form="postfix">)</mml:mo><mml:mo><</mml:mo><mml:mn>2.4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>. When combined with a previous ATLAS result based on <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>pp</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3. org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> collisions data with a centre-of-mass energy of 8 TeV, an upper limit of <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>\mathcal{B}(Z\to \mu\tau) < 1.3\times10^{-5}</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3. org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="script"><mml:mi>ℬ</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false" form="prefix">(</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" form="postfix">)</mml:mo><mml:mo><</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> is obtained. </jats:p>