В момент когда в первый раз выполняется запрос по шейпу, который не находится в кеше планов, монга пытается предсказать сколько времени и ресурсов займёт по каждому из подходящих под этот шейп планов, выполняя тестовую выборку. Какой план будет дешевле, тот и победит и попадёт в кеш.

Почему выйграл один план, но проиграл другой сказать сложно. Причин много, начиная от нагрузки в момент выполнения тестовых выборок, заканчивая количеством попавших в неё документов.

Если вы хотите чтоб монга выбирала конкретный индекс, то используйте hint