Физики ищут асимметрию материи-антиматерии во взаимодействиях бозонов Хиггса и тау-лептонов
Симметрии заставляют мир вращаться, но и асимметрии тоже. В качестве примера можно привести асимметрию, известную как асимметрия зарядовой четности , которая требуется для объяснения того, почему материя значительно превосходит по численности антиматерию во Вселенной, хотя обе формы материи должны были быть созданы в равных количествах во время Большого взрыва.
Стандартная модель физики элементарных частиц включает источники асимметрии зарядовой четности (CP), и некоторые из этих источников были подтверждены в экспериментах.
Однако эти источники в совокупности генерируют количество CP-асимметрии, которое слишком мало, чтобы объяснить дисбаланс материи и антивещества во Вселенной, что побуждает физиков искать новые источники CP-асимметрии.
В ходе двух независимых исследований физики из коллабораций ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе обратились к бозону Хиггса, чтобы выяснить, не скрывает ли эта уникальная частица новый, неизвестный источник CP-асимметрии.
Исследователи ранее искали — и не нашли признаков — CP-асимметрии во взаимодействиях бозона Хиггса с другими бозонами, а также с самой тяжелой из известных фундаментальных частиц, топ-кварком.
В своих последних исследованиях они искали эту асимметрию во взаимодействии между бозоном Хиггса и тау-лептоном, более тяжелой версией электрона.
Чтобы найти эту асимметрию, команды ATLAS и CMS сначала искали бозоны Хиггса, распадающиеся на пары тау-лептонов, в данных протон-протонных столкновений, зарегистрированных в ходе экспериментов во время второго запуска БАК.
Затем ученые проанализировали кинематику этого распада, 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 СР-асимметричным в зависимости от угла (угол -90 или +90 градусов соответствует полностью СР-асимметричному взаимодействию, тогда как любой промежуточный угол, кроме 0 градусов, соответствует частично СР-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 CP-асимметричное взаимодействие бозона Хиггса с тау-лептоном со статистической значимостью около трех стандартных отклонений.
Результаты согласуются со Стандартной моделью в пределах текущей точности измерений.
«Дополнительные данные позволят нам либо подтвердить этот вывод, либо обнаружить CP-асимметрию во взаимодействии бозона Хиггса и тау-лептона, что окажет глубокое влияние на наше понимание истории Вселенной», — заявили физики.
ATLAS Collaboration. 2022. Measuring CP properties of Higgs boson interactions with τ leptons with the ATLAS detector. ATLAS-CONF-2022-032
A. Tumasyan et al. (CMS Collaboration). Analysis of the CP structure of the Yukawa coupling between the Higgs boson and τ leptons in proton-proton collisions at s√ = 13 TeV. J. High Energ. Phys 2022 (12); doi: 10.1007/JHEP06(2022)012