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).

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.

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.