Figura 1:Esquerda:a distribuição bidimensional da rejeição de fundo BDT e CP BDT em eventos de difóton consistente com quarks top decadentes hadronicamente em processos ttH ou tH. Superior direito:projeção unidimensional para o BDT de rejeição de fundo. Abaixo à direita:projeção unidimensional para o CP BDT. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Quando uma partícula é transformada em sua antipartícula e suas coordenadas espaciais invertidas, as leis da física devem permanecer as mesmas - ou assim pensávamos. Esta simetria - conhecida como simetria CP (conjugação de carga e simetria de paridade) - foi considerada exata até 1964, quando um estudo do sistema de partículas kaon levou à descoberta de violação de CP.
A violação de CP é uma característica essencial do nosso universo. O desequilíbrio entre matéria e antimatéria, que levou ao universo atual, é uma consequência de processos de violação de CP que ocorreram momentos após o Big Bang. Contudo, o tamanho da violação do CP, observado até agora exclusivamente na interação fraca, é insuficiente para explicar o presente desequilíbrio matéria-antimatéria. Portanto, devem existir novas fontes de violação de CP.
A descoberta do bóson de Higgs abriu oportunidades para os físicos pesquisarem essas novas fontes de violação de CP. A ATLAS Collaboration no CERN realizou um teste direto das propriedades CP da interação entre o bóson de Higgs e os quarks top. O resultado é baseado em uma análise do conjunto de dados Run-2 completo do Large Hadron Collider (LHC), olhando para eventos de colisão onde o bóson de Higgs é produzido em associação com um ou dois quarks top, e decai em dois fótons. Uma análise semelhante foi lançada recentemente pelo CMS Collaboration.
Ficando no topo do Higgs
Como o quark top é a partícula elementar mais pesada no Modelo Padrão, ele tem a interação mais forte com o bóson de Higgs. Esta interação tem efeitos observáveis nas colisões de prótons no LHC, produzindo um bóson de Higgs em associação com um par de quarks top (ttH) ou com um único quark top (tH).
Figura 2:Esquerda:a distribuição bidimensional da massa invariante do difóton e da massa do candidato do quark superior para eventos de dados de todas as 20 categorias. Superior direito:a distribuição da massa invariante do difóton. Inferior direito:a distribuição em massa do candidato a quark top primário. Todas as entradas são ponderadas pela categoria a que pertencem. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
O processo ttH é responsável por aproximadamente 1% dos bósons de Higgs produzidos no LHC, e foi observado pelos experimentos ATLAS e CMS em 2018. No entanto, o processo tH é muito mais raro, em parte devido à interferência destrutiva entre as contribuições induzidas pela interação topo-Higgs com aquelas induzidas pela interação W-boson-Higgs. Esta interferência pode ser alterada significativamente quando novos processos físicos estão presentes, o que poderia levar a um aumento da taxa de produção de tH.
No modelo padrão, a interação superior-Higgs conserva a simetria CP, uma característica frequentemente referida como "CP-even". Contudo, pode existir um componente de violação de CP (ou "CP ímpar") da interação topo-Higgs. Sua presença pode modificar as taxas de produção esperadas, bem como as propriedades cinemáticas dos processos ttH e tH. Ambos podem ser medidos pelo experimento ATLAS, permitindo que os físicos separem os componentes CP-par e CP-ímpar, suas frações relativas (expressas pelo ângulo de mistura CP, α), e a força de interação de Higgs superior (κ t )
Selecionando um sinal
A nova medição ATLAS utiliza dois discriminantes Boosted Decision Tree (BDT):o "Background Rejection BDT", treinado para separar eventos ttH e tH de processos em segundo plano; e o "CP BDT", que usa propriedades cinemáticas do bóson de Higgs e dos quarks superiores para separar eventos CP-pares de CP-ímpares.
Depois de aplicar os dois BDTs (consulte a Figura 1), Os físicos do ATLAS então classificaram os eventos em 20 categorias. A Figura 2 apresenta a distribuição bidimensional da massa do par de fótons e a massa do candidato top-quark, para eventos de todas as 20 categorias. As inscrições foram ponderadas com base nas taxas de sinal para fundo de suas categorias, para que o poder de categorização pudesse ser visualizado. Uma concentração de eventos consistente com a massa do bóson de Higgs e a massa do quark top pode ser vista.
Figura 3:contornos de exclusão em um espaço de fase bidimensional, onde os eixos horizontal e vertical são correspondentes à força do componente CP-par e do componente CP-ímpar, respectivamente. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Os físicos do ATLAS então realizaram uma análise estatística desses conjuntos de dados. O processo ttH neste canal foi observado com uma significância de 5,2 desvios padrão (σ), e uma intensidade de sinal de 1,4 ± 0,4 ± 0,2 vezes a expectativa do modelo padrão, onde a primeira incerteza é estatística e a segunda sistemática. Um limite superior de 12 vezes a previsão do Modelo Padrão com nível de confiança de 95% (CL) foi encontrado para a seção transversal do processo tH, qual é o limite mais competitivo até o momento.
Com o processo ttH assim estabelecido, os dados categorizados foram usados para testar novas hipóteses físicas com diferentes valores de κ t e α. Os físicos do ATLAS adotaram restrições específicas de uma combinação recente de medições de acoplamento do bóson de Higgs, de modo que a interpretação não depende de suposições específicas do modelo.
A Figura 3 mostra os contornos de exclusão em um espaço bidimensional, onde os eixos horizontal e vertical correspondem à força do componente CP-par e do componente CP-ímpar, respectivamente. Os dados favorecem um ângulo de mistura de CP muito próximo a 0 graus; em outras palavras, não mostrando sinais de violação de CP conforme previsto pelo Modelo Padrão. Valores de α maiores do que 43 graus são excluídos em 95% CL. Valores maiores que 63 graus seriam excluídos se os sinais ttH e tH nos dados correspondessem exatamente aos previstos pelo Modelo Padrão. O resultado do ATLAS rejeita um sinal máximo de violação de CP com 3,9 σ.
Esta primeira medição ATLAS da propriedade CP da interação topo-Higgs será complementada por medições envolvendo outros canais de decaimento do bóson de Higgs.