Wanneer een deeltje wordt omgezet in zijn antideeltje en zijn ruimtelijke coördinaten omgekeerd, de wetten van de fysica moeten hetzelfde blijven - dat dachten we tenminste. Deze symmetrie - bekend als CP-symmetrie (ladingsconjugatie en pariteitssymmetrie) - werd tot 1964 als exact beschouwd, toen een studie van het kaon-deeltjessysteem leidde tot de ontdekking van CP-schending.

CP-schending is een essentieel kenmerk van ons universum. De onbalans tussen materie en antimaterie, die leidden tot het huidige universum, is een gevolg van CP-schendende processen die net na de oerknal plaatsvonden. Echter, de omvang van de CP-overtreding, tot nu toe uitsluitend waargenomen in de zwakke interactie, is onvoldoende om de huidige onbalans tussen materie en antimaterie te verklaren. Er moeten dus nieuwe bronnen van CP-schending zijn.

De ontdekking van het Higgs-deeltje heeft voor natuurkundigen mogelijkheden geopend om naar deze nieuwe bronnen van CP-schending te zoeken. De ATLAS-samenwerking bij CERN heeft een directe test uitgevoerd van de CP-eigenschappen van de interactie tussen het Higgs-deeltje en top-quarks. Het resultaat is gebaseerd op een analyse van de volledige Run-2-dataset van de Large Hadron Collider (LHC), kijken naar botsingsgebeurtenissen waarbij het Higgs-deeltje wordt geproduceerd in combinatie met een of twee top-quarks, en vervalt in twee fotonen. Een soortgelijke analyse is onlangs vrijgegeven door de CMS Collaboration.

Op de top van de Higgs blijven

Aangezien de top-quark het zwaarste elementaire deeltje in het standaardmodel is, het heeft de sterkste interactie met het Higgs-deeltje. Deze interactie heeft waarneembare effecten in de protonbotsingen bij de LHC, het produceren van een Higgs-deeltje in combinatie met een paar top-quarks (ttH) of met een enkele top-quark (tH).

Het ttH-proces is verantwoordelijk voor ongeveer 1% van de Higgs-bosonen die in de LHC worden geproduceerd, en werd waargenomen door de ATLAS- en CMS-experimenten in 2018. het tH-proces is veel zeldzamer, gedeeltelijk als gevolg van destructieve interferentie tussen bijdragen geïnduceerd door de top-Higgs-interactie met die geïnduceerd door W-boson-Higgs-interactie. Deze interferentie kan aanzienlijk worden gewijzigd wanneer nieuwe natuurkundige processen aanwezig zijn, wat zou kunnen leiden tot een verhoging van de tH-productiesnelheid.

In het standaardmodel, de top-Higgs-interactie behoudt CP-symmetrie, een kenmerk dat vaak wordt aangeduid als "CP-even". Echter, een CP-schendende (of "CP-oneven") component van de top-Higgs-interactie kan bestaan. Zijn aanwezigheid zou de verwachte productiesnelheden kunnen wijzigen, evenals de kinematische eigenschappen van de ttH- en tH-processen. Beide kunnen worden gemeten door het ATLAS-experiment, waardoor natuurkundigen de CP-even en CP-oneven componenten kunnen ontwarren, hun relatieve fracties (uitgedrukt door de CP-menghoek, ), en de top-Higgs-interactiesterkte (κ _t ).

Een signaal selecteren

De nieuwe ATLAS-meting maakt gebruik van twee Boosted Decision Tree (BDT)-discriminanten:de "Background Rejection BDT", getraind om ttH- en tH-gebeurtenissen te scheiden van achtergrondprocessen; en de "CP BDT", die kinematische eigenschappen van het Higgs-deeltje en de top-quarks gebruikt om CP-even te scheiden van CP-oneven gebeurtenissen.

Na het toepassen van beide BDT's (zie figuur 1), Natuurkundigen van ATLAS hebben de gebeurtenissen vervolgens ingedeeld in 20 categorieën. Figuur 2 geeft de tweedimensionale verdeling weer van de massa van het fotonenpaar en de massa van de top-quarkkandidaat, voor evenementen uit alle 20 categorieën. Inzendingen werden gewogen op basis van de signaal-tot-achtergrondverhoudingen van hun categorieën, zodat de kracht van categorisatie gevisualiseerd kon worden. Er is een concentratie van gebeurtenissen te zien die consistent is met de massa van het Higgs-boson en de massa van de top-quark.

Natuurkundigen van ATLAS voerden vervolgens een statistische analyse uit van deze datasets. Het ttH-proces in dit kanaal werd waargenomen met een significantie van 5,2 standaarddeviaties (σ), en een signaalsterkte van 1,4 ± 0,4 ± 0,2 keer de verwachting van het standaardmodel, waarbij de eerste onzekerheid statistisch is en de tweede systematisch. Een bovengrens van 12 keer de standaardmodelvoorspelling bij 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) werd gevonden voor de tH-procesdoorsnede, dat is de meest concurrerende limiet tot nu toe.

Met het aldus vastgelegde ttH-proces, de gecategoriseerde gegevens werden gebruikt om nieuwe natuurkundige hypothesen te testen met verschillende waarden van κ _t en . Natuurkundigen van ATLAS hebben specifieke beperkingen overgenomen van een recente combinatie van Higgs-bosonkoppelingsmetingen, zodat de interpretatie niet afhankelijk is van modelspecifieke aannames.

Figuur 3 toont de uitsluitingscontouren in een tweedimensionale ruimte, waarbij de horizontale en verticale assen overeenkomen met de sterkte van de CP-even component en die van de CP-oneven component, respectievelijk. De gegevens geven de voorkeur aan een CP-menghoek die zeer dicht bij 0 graden ligt; met andere woorden, geen tekenen van CP-overtreding vertoont, zoals voorspeld door het standaardmodel. Waarden van de α groter dan 43 graden zijn uitgesloten bij 95% CL. Waarden groter dan 63 graden zouden worden uitgesloten als de ttH- en tH-signalen in de gegevens exact overeenkwamen met die voorspeld door het standaardmodel. Het ATLAS-resultaat verwerpt een maximaal CP-overtredend signaal met 3,9 σ.

Deze eerste ATLAS-meting van de CP-eigenschap van de top-Higgs-interactie zal worden aangevuld met metingen met andere Higgs-boson-vervalkanalen.