När en partikel omvandlas till sin antipartikel och dess rumsliga koordinater inverteras, fysikens lagar måste förbli desamma – eller så trodde vi. Denna symmetri – känd som CP-symmetri (laddningskonjugation och paritetssymmetri) – ansågs vara exakt fram till 1964, när en studie av kaonpartikelsystemet ledde till upptäckten av CP -kränkning.

CP-kränkning är en väsentlig egenskap i vårt universum. Obalansen mellan materia och antimateria, som ledde till dagens universum, är en konsekvens av CP-överträdande processer som inträffade bara några ögonblick efter Big Bang. Dock, storleken på CP -överträdelse, observerats hittills uteslutande i den svaga interaktionen, är otillräckligt för att redogöra för den aktuella obalansen mellan materia och antimateria. Nya källor till CP-kränkning måste därför finnas.

Upptäckten av Higgs-bosonen har öppnat möjligheter för fysiker att söka efter dessa nya källor till CP-kränkningar. ATLAS Collaboration vid CERN har utfört ett direkt test av CP-egenskaperna för interaktionen mellan Higgs-bosonen och toppkvarkar. Resultatet är baserat på en analys av hela Run-2-dataset från Large Hadron Collider (LHC), tittar på kollisionshändelser där Higgs-bosonen produceras i samband med en eller två toppkvarkar, och sönderfaller till två fotoner. En liknande analys har nyligen släppts av CMS Collaboration.

Att stanna på toppen av Higgs

Eftersom toppkvarken är den tyngsta elementarpartikeln i standardmodellen, den har den starkaste interaktionen med Higgs boson. Denna interaktion har observerbara effekter i protonkollisioner vid LHC, producerar en Higgs-boson i förening med ett par toppkvarkar (ttH) eller med en enda toppkvarkar (tH).

ttH-processen står för ungefär 1% av Higgs-bosonerna som produceras vid LHC, och observerades av ATLAS- och CMS-experimenten 2018. processen är mycket sällsyntare, delvis på grund av destruktiv interferens mellan bidrag inducerade av top-Higgs-interaktionen med de som induceras av W-boson-Higgs-interaktion. Denna interferens kan förändras avsevärt när nya fysikprocesser är närvarande, vilket skulle kunna leda till en ökning av produktionstakten.

I standardmodellen, Top -Higgs -interaktionen bevarar CP -symmetri, en egenskap som ofta kallas "CP-even". Dock, en CP-överträdande (eller "CP-udda") komponent i top–Higgs-interaktionen kan finnas. Dess närvaro kan modifiera de förväntade produktionshastigheterna såväl som de kinematiska egenskaperna hos ttH- och tH-processerna. Båda kan mätas med ATLAS-experimentet, gör det möjligt för fysiker att lösa CP-jämna och CP-udda komponenter, deras relativa fraktioner (uttryckt av CP-blandningsvinkeln, α), och interaktionsstyrkan mellan topp och Higgs (k _t ).

Att välja ut en signal

Den nya ATLAS-mätningen använder två diskriminanter för Boosted Decision Tree (BDT):"Background Rejection BDT", tränad att separera ttH- och tH-händelser från bakgrundsprocesser; och "CP BDT", som använder kinematiska egenskaper hos Higgs-bosonen och toppkvarkarna för att skilja CP-jämn från CP-udda händelser.

Efter att ha applicerat båda BDT (se figur 1), ATLAS -fysiker klassificerade sedan händelserna i 20 kategorier. Figur 2 visar den tvådimensionella fördelningen av massan av fotonparet och massan av toppkvarkkandidaten, för evenemang från alla 20 kategorier. Bidragen viktades baserat på signal-till-bakgrundsförhållandena för deras kategorier, så att kategoriseringens kraft kunde visualiseras. En koncentration av händelser som överensstämmer med Higgs-bosonmassan och toppkvarkmassan kan ses.

ATLAS-fysiker utförde sedan en statistisk analys av dessa datamängder. ttH-processen i denna kanal observerades med en signifikans på 5,2 standardavvikelser (σ), och en signalstyrka på 1,4 ± 0,4 ± 0,2 gånger standardmodellens förväntan, där den första osäkerheten är statistisk och den andra systematisk. En övre gräns på 12 gånger standardmodellens förutsägelse vid 95 % konfidensnivå (CL) hittades för tH-processens tvärsnitt, vilket är den mest konkurrenskraftiga gränsen hittills.

Med den sålunda etablerade ttH-processen, de kategoriserade data användes för att testa nya fysikhypoteser med olika värden på κ _t och a. ATLAS-fysiker antog specifika begränsningar från en ny kombination av Higgs bosonkopplingsmätningar så att tolkningen inte beror på modellspecifika antaganden.

Figur 3 visar uteslutningskonturerna i ett tvådimensionellt utrymme, där de horisontella och vertikala axlarna motsvarar styrkan hos den CP-jämna komponenten och den hos den CP-udda komponenten, respektive. Data gynnar en CP-blandningsvinkel mycket nära 0 grader; med andra ord, visar inga tecken på CP -överträdelse enligt standardmodellen. Värden på α som är större än 43 grader exkluderas vid 95 % CL. Värden större än 63 grader skulle uteslutas om ttH- och tH-signalerna i datan motsvarade exakt de som förutspåtts av standardmodellen. ATLAS-resultatet avvisar en maximal CP-kränkande signal med 3,9 σ.

Denna första ATLAS-mätning av CP-egenskapen för top-Higgs-interaktionen kommer att kompletteras med mätningar som involverar andra Higgs-boson-avklingningskanaler.