Søger efter stof-antistof-asymmetri med Higgs-bosonen

Symmetrier får verden til at gå rundt, men det gør asymmetrier også. Et eksempel på dette er en asymmetri kendt som ladning-paritet (CP) asymmetri, som er nødvendig for at forklare, hvorfor stof er langt større end antistof i nutidens univers, selvom begge former for stof burde være blevet skabt i lige store mængder i Big Bang .

Standardmodellen for partikelfysik – teorien, der bedst beskriver stoffets byggesten og deres interaktioner – inkluderer kilder til CP-asymmetri, og nogle af disse kilder er blevet bekræftet i eksperimenter. Imidlertid genererer disse standardmodelkilder tilsammen en mængde CP-asymmetri, der er alt for lille til at tage højde for ubalancen mellem stof og antistof i universet, hvilket får fysikere til at lede efter nye kilder til CP-asymmetri.

I to nylige uafhængige undersøgelser vendte de internationale ATLAS- og CMS-samarbejder ved Large Hadron Collider (LHC) sig til Higgs-bosonen, som de opdagede for ti år siden for at se, om denne unikke partikel skjuler en ny, ukendt kilde til CP-asymmetri.

ATLAS- og CMS-holdene havde tidligere søgt efter – og fandt ingen tegn på – CP-asymmetri i Higgs-bosonens interaktioner med andre bosoner såvel som med den tungeste kendte fundamentale partikel, topkvarken. I deres seneste undersøgelser søgte ATLAS og CMS efter denne asymmetri i samspillet mellem Higgs boson og tau lepton, en tungere version af elektronen.

For at søge efter denne asymmetri ledte ATLAS og CMS først efter Higgs-bosoner, der transformerede eller "henfalder" til par af tau-leptoner i proton-proton-kollisionsdata registreret af eksperimenterne under den anden kørsel af LHC (2015-2018). De analyserede derefter dette henfalds bevægelse, eller "kinematik", som afhænger af en vinkel, kaldet blandingsvinklen, der kvantificerer mængden af ​​CP-asymmetri i interaktionen mellem Higgs-bosonen og tau-leptonen.

I standardmodellen er blandingsvinklen nul, og dermed er interaktionen CP-symmetrisk, hvilket betyder, at den forbliver den samme under en transformation, der ombytter en partikel med spejlbilledet af dens antipartikel. I teorier, der udvider Standardmodellen, kan vinklen dog afvige fra nul, og interaktionen kan være delvist eller fuldstændig CP-asymmetrisk afhængig af vinklen; en vinkel på -90 eller +90 grader svarer til en fuldstændig CP-asymmetrisk interaktion, hvorimod enhver vinkel derimellem, undtagen 0 grader, svarer til en delvis CP-asymmetrisk interaktion.

Efter at have analyseret deres prøver af Higgs-boson-henfald til tau-leptoner opnåede ATLAS-teamet en blandingsvinkel på 9 ± 16 grader og CMS-teamet −1 ± 19 grader, som begge udelukker en fuldt CP-asymmetrisk Higgs boson-tau lepton-interaktion med en statistisk signifikans på omkring tre standardafvigelser.

Resultaterne er i overensstemmelse med standardmodellen inden for den nuværende målepræcision. Flere data vil give forskerne mulighed for enten at bekræfte denne konklusion eller opdage CP-asymmetri i Higgs boson-tau lepton-interaktionen, hvilket ville have en dybtgående indvirkning på vores forståelse af universets historie.

Med den tredje kørsel af LHC, der snart skal starte, behøver ATLAS- og CMS-samarbejdet ikke at vente for længe, ​​før de kan føre flere data ind i deres analysesæt for at finde ud af, om Higgs-bosonen skjuler en ny kilde til CP. asymmetri. + Udforsk yderligere

Indsigt i Higgs-bosonens interaktion med charmekvarken