Søger efter nye kilder til stof – antistofsymmetri, der bryder i Higgs bosoninteraktion med topkvarker

Når en partikel omdannes til sin antipartikel og dens rumlige koordinater omvendt, fysikkens love kræves for at forblive de samme - eller sådan troede vi. Denne symmetri - kendt som CP symmetri (ladningskonjugation og paritetssymmetri) - blev anset for at være nøjagtig indtil 1964, da en undersøgelse af kaon-partikelsystemet førte til opdagelsen af ​​CP-krænkelse.

CP-overtrædelse er et væsentligt træk ved vores univers. Ubalancen mellem stof og antistof, som førte til nutidens univers, er en konsekvens af CP-krænkende processer, der fandt sted bare et øjeblik efter Big Bang. Imidlertid, størrelsen af ​​CP-overtrædelse, observeret hidtil udelukkende i den svage interaktion, er utilstrækkelig til at tage højde for den nuværende ubalance mellem stof og antistof. Nye kilder til CP -overtrædelse skal derfor eksistere.

Opdagelsen af ​​Higgs-bosonen har åbnet muligheder for fysikere til at søge efter disse nye kilder til CP-krænkelse. ATLAS-samarbejdet ved CERN har udført en direkte test af CP-egenskaberne af interaktionen mellem Higgs-bosonen og topkvarker. Resultatet er baseret på en analyse af det fulde Run-2 datasæt fra Large Hadron Collider (LHC), ser på kollisionsbegivenheder, hvor Higgs-bosonen produceres i forbindelse med en eller to topkvarker, og henfalder til to fotoner. En lignende analyse er for nylig blevet udgivet af CMS Collaboration.

At blive på toppen af ​​Higgs

Da topkvarken er den tungeste elementarpartikel i standardmodellen, det har den stærkeste interaktion med Higgs bosonen. Denne interaktion har observerbare virkninger i protonkollisionerne ved LHC, fremstilling af en Higgs -boson i forbindelse med et par topkvarker (ttH) eller med en enkelt topkvark (tH).

ttH-processen tegner sig for ca. 1% af Higgs-bosonerne produceret ved LHC, og blev observeret ved ATLAS- og CMS -eksperimenterne i 2018. Imidlertid er processen er meget sjældnere, dels på grund af destruktiv interferens mellem bidrag forårsaget af top-Higgs-interaktionen med dem, der induceres af W-boson-Higgs-interaktion. Denne interferens kan blive væsentligt ændret, når nye fysikprocesser er til stede, hvilket kan føre til en stigning i produktionshastigheden.

I standardmodellen, Top-Higgs-interaktionen bevarer CP-symmetri, en egenskab, der ofte omtales som "CP-even". Imidlertid, en CP-krænkende (eller "CP-ulige") komponent i top-Higgs-interaktionen kan eksistere. Dets tilstedeværelse kunne ændre de forventede produktionshastigheder såvel som de kinematiske egenskaber af ttH- og tH-processerne. Begge kan måles ved ATLAS-eksperimentet, giver fysikere mulighed for at adskille CP-lige og CP-ulige komponenter, deres relative fraktioner (udtrykt ved CP-blandingsvinklen, α), og top-Higgs interaktionsstyrke (k _t ).

Vælg et signal

Den nye ATLAS-måling anvender to Boosted Decision Tree (BDT)-diskriminanter:"Background Rejection BDT", uddannet til at adskille ttH og tH begivenheder fra baggrundsprocesser; og "CP BDT", som bruger kinematiske egenskaber for Higgs-bosonen og topkvarkerne til at adskille CP-lige fra CP-ulige hændelser.

Efter påføring af begge BDT'er (se figur 1), ATLAS-fysikere klassificerede derefter begivenhederne i 20 kategorier. Figur 2 viser den todimensionelle fordeling af massen af ​​fotonparret og massen af ​​top-quark-kandidaten, til arrangementer fra alle 20 kategorier. Indlæg blev vægtet baseret på signal-til-baggrund-forholdet for deres kategorier, så magten ved kategorisering kunne visualiseres. En koncentration af begivenheder i overensstemmelse med Higgs-bosonmassen og topkvarkmassen kan ses.

ATLAS -fysikere udførte derefter en statistisk analyse af disse datasæt. ttH-processen i denne kanal blev observeret med en signifikans på 5,2 standardafvigelser (σ), og en signalstyrke på 1,4 ± 0,4 ± 0,2 gange standardmodelens forventning, hvor den første usikkerhed er statistisk og den anden systematisk. En øvre grænse på 12 gange standardmodellens forudsigelse ved 95 % konfidensniveau (CL) blev fundet for tH-procestværsnittet, hvilket er den mest konkurrencedygtige grænse til dato.

Med den således etablerede ttH-proces, de kategoriserede data blev brugt til at teste nye fysikhypoteser med forskellige værdier på κ _t og α. ATLAS-fysikere adopterede specifikke begrænsninger fra en nylig kombination af Higgs bosonkoblingsmålinger, så fortolkningen ikke afhænger af modelspecifikke antagelser.

Figur 3 viser udelukkelseskonturerne i et todimensionelt rum, hvor den vandrette og lodrette akse svarer til styrken af ​​CP-lige komponenten og styrken af ​​CP-ulige komponent henholdsvis. Dataene favoriserer en CP-blandingsvinkel meget tæt på 0 grader; med andre ord, viser ingen tegn på CP-overtrædelse som forudsagt af standardmodellen. Værdier af α større end 43 grader er udelukket ved 95 % CL. Værdier større end 63 grader ville blive udelukket, hvis ttH- og tH -signalerne i dataene nøjagtigt svarede til dem, der forudsiges af standardmodellen. ATLAS-resultatet afviser et maksimalt CP-overtrædende signal med 3,9 σ.

Denne første ATLAS-måling af CP-egenskaben for top-Higgs-interaktionen vil blive suppleret med målinger, der involverer andre Higgs-boson-henfaldskanaler.