Поиск асимметрии материи и антиматерии с помощью бозона Хиггса
Симметрии заставляют мир вращаться, но и асимметрии тоже. В качестве примера можно привести асимметрию, известную как асимметрия заряд-четность (CP), которая требуется для объяснения того, почему материя значительно превосходит по численности антиматерию в современной Вселенной, хотя обе формы материи должны были быть созданы в равных количествах во время Большого взрыва.
События-кандидаты ATLAS (слева) и CMS (справа) для бозона Хиггса, распадающегося на пару тау-лептонов. Кредит: ЦЕРН
Стандартная модель физики элементарных частиц — теория, которая лучше всего описывает строительные блоки материи и их взаимодействия, — включает в себя источники CP- асимметрии , и некоторые из этих источников были подтверждены в экспериментах. Однако эти источники Стандартной модели в совокупности генерируют величину CP-асимметрии, которая слишком мала, чтобы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной, что побуждает физиков искать новые источники CP-асимметрии.
В двух недавних независимых исследованиях международное сотрудничество ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) обратилось к бозону Хиггса, который они открыли десять лет назад, чтобы увидеть, скрывает ли эта уникальная частица новый, неизвестный источник СР-асимметрии.
Команды ATLAS и CMS ранее искали — и не нашли признаков — CP-асимметрии во взаимодействиях бозона Хиггса с другими бозонами, а также с самой тяжелой известной фундаментальной частицей, топ-кварком. В своих последних исследованиях ATLAS и CMS искали эту асимметрию во взаимодействии между бозоном Хиггса и тау-лептоном, более тяжелой версией электрона.
Чтобы найти эту асимметрию, ATLAS и CMS сначала искали бозоны Хиггса, превращающиеся или «распадающиеся» в пары тау-лептонов в данных протон-протонных столкновений, зарегистрированных в ходе экспериментов во время второго запуска LHC (2015–2018). Затем они проанализировали движение этого распада, или «кинематику», которая зависит от угла, называемого углом смешивания, который количественно определяет величину CP-асимметрии во взаимодействии между бозоном Хиггса и тау-лептоном.
В Стандартной модели угол смешивания равен нулю, и, таким образом, взаимодействие является СР-симметричным, что означает, что оно остается неизменным при преобразовании, которое меняет местами частицу с зеркальным отражением ее античастицы. Однако в теориях, расширяющих Стандартную модель, угол может отклоняться от нуля, и взаимодействие может быть частично или полностью CP-асимметричным в зависимости от угла; угол -90 или +90 градусов соответствует полностью CP-асимметричному взаимодействию, тогда как любой промежуточный угол, кроме 0 градусов, соответствует частично CP-асимметричному взаимодействию.
Проанализировав свои образцы распадов бозона Хиггса на тау-лептоны, команда ATLAS получила угол смешивания 9 ± 16 градусов, а команда CMS -1 ± 19 градусов, оба из которых исключают полностью СР-асимметричное взаимодействие бозона Хиггса и тау-лептона с статистическая значимость около трех стандартных отклонений.
Результаты согласуются со Стандартной моделью в пределах текущей точности измерений. Дополнительные данные позволят исследователям либо подтвердить этот вывод, либо обнаружить CP-асимметрию во взаимодействии бозона Хиггса с тау-лептоном, что окажет глубокое влияние на наше понимание истории Вселенной.
Скоро начнется третий запуск LHC, и совместным усилиям ATLAS и CMS не придется слишком долго ждать, прежде чем они смогут загрузить больше данных в свои наборы для анализа, чтобы выяснить, скрывает ли бозон Хиггса новый источник CP асимметрии.
