Figura 1:Izquierda:la distribución bidimensional de la BDT de rechazo de fondo y la BDT de CP en los eventos de difotón consistentes con los quarks superiores de desintegración hadrónica en los procesos ttH o tH. Arriba a la derecha:proyección unidimensional a la BDT de rechazo de fondo. Abajo a la derecha:proyección unidimensional al CP BDT. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Cuando una partícula se transforma en su antipartícula y sus coordenadas espaciales se invierten, se requiere que las leyes de la física sigan siendo las mismas, o eso pensamos. Esta simetría, conocida como simetría CP (conjugación de carga y simetría de paridad), se consideró exacta hasta 1964. cuando un estudio del sistema de partículas de kaon condujo al descubrimiento de una violación de CP.
La violación de CP es una característica esencial de nuestro universo. El desequilibrio entre materia y antimateria, que condujo al universo actual, es una consecuencia de los procesos de violación del CP que ocurrieron momentos después del Big Bang. Sin embargo, el tamaño de la infracción de CP, observado hasta ahora exclusivamente en la interacción débil, es insuficiente para explicar el actual desequilibrio materia-antimateria. Por lo tanto, deben existir nuevas fuentes de violación del CP.
El descubrimiento del bosón de Higgs ha abierto oportunidades para que los físicos busquen estas nuevas fuentes de violación de CP. La Colaboración ATLAS en el CERN ha realizado una prueba directa de las propiedades CP de la interacción entre el bosón de Higgs y los quarks top. El resultado se basa en un análisis del conjunto de datos completo Run-2 del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), mirando eventos de colisión donde el bosón de Higgs se produce en asociación con uno o dos quarks superiores, y se desintegra en dos fotones. Recientemente, CMS Collaboration ha publicado un análisis similar.
Permanecer en la cima del Higgs
Como el quark top es la partícula elemental más pesada en el modelo estándar, tiene la interacción más fuerte con el bosón de Higgs. Esta interacción tiene efectos observables en las colisiones de protones en el LHC, produciendo un bosón de Higgs en asociación con un par de quarks top (ttH) o con un solo quark top (tH).
Figura 2:Izquierda:la distribución bidimensional de la masa invariante de difotón y la masa del candidato de quark superior para los eventos de datos de las 20 categorías. Arriba a la derecha:distribución de masa invariante de difotón. Abajo a la derecha:la distribución de masa del candidato de quark top primario. Todas las entradas están ponderadas por la categoría a la que pertenecen. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
El proceso ttH representa aproximadamente el 1% de los bosones de Higgs producidos en el LHC, y fue observado por los experimentos ATLAS y CMS en 2018. Sin embargo, el proceso es mucho más raro, en parte debido a la interferencia destructiva entre las contribuciones inducidas por la interacción superior-Higgs con las inducidas por la interacción W-bosón-Higgs. Esta interferencia podría alterarse significativamente cuando se presenten nuevos procesos físicos, lo que podría conducir a un aumento de la tasa de producción de tH.
En el modelo estándar, la interacción superior-Higgs conserva la simetría CP, una característica a la que a menudo se hace referencia como "CP-par". Sin embargo, puede existir un componente que infringe el CP (o "CP impar") de la interacción superior-Higgs. Su presencia podría modificar las tasas de producción esperadas así como las propiedades cinemáticas de los procesos ttH y tH. Ambos pueden medirse con el experimento ATLAS, permitiendo a los físicos desenredar los componentes CP-par y CP-impar, sus fracciones relativas (expresadas por el ángulo de mezcla CP, α), y la fuerza de interacción superior-Higgs (κ t ).
Seleccionar una señal
La nueva medición de ATLAS utiliza dos discriminantes de árbol de decisión impulsado (BDT):el "BDT de rechazo de fondo", capacitado para separar los eventos ttH y tH de los procesos de fondo; y el "CP BDT", que utiliza propiedades cinemáticas del bosón de Higgs y los quarks superiores para separar los eventos CP-par de CP-impares.
Después de aplicar ambas BDT (ver Figura 1), Los físicos de ATLAS luego clasificaron los eventos en 20 categorías. La Figura 2 presenta la distribución bidimensional de la masa del par de fotones y la masa del candidato de quark top, para eventos de las 20 categorías. Las entradas se ponderaron en función de las proporciones de señal a fondo de sus categorías, para que se pudiera visualizar el poder de la categorización. Se puede ver una concentración de eventos consistente con la masa del bosón de Higgs y la masa del quark top.
Figura 3:Contornos de exclusión en un espacio de fase bidimensional, donde los ejes horizontal y vertical corresponden a la fuerza de la componente CP-par y la del componente CP-impar, respectivamente. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Los físicos de ATLAS luego realizaron un análisis estadístico de estos conjuntos de datos. El proceso ttH en este canal se observó con una significancia de 5.2 desviaciones estándar (σ), y una intensidad de señal de 1,4 ± 0,4 ± 0,2 veces la expectativa del modelo estándar, donde la primera incertidumbre es estadística y la segunda sistemática. Se encontró un límite superior de 12 veces la predicción del modelo estándar con un nivel de confianza (CL) del 95% para la sección transversal del proceso tH, que es el límite más competitivo hasta la fecha.
Con el proceso ttH así establecido, Los datos categorizados se utilizaron para probar nuevas hipótesis físicas con diferentes valores de κ t y α. Los físicos de ATLAS adoptaron restricciones específicas de una combinación reciente de mediciones de acoplamiento del bosón de Higgs para que la interpretación no dependa de suposiciones específicas del modelo.
La figura 3 muestra los contornos de exclusión en un espacio bidimensional, donde los ejes horizontal y vertical corresponden a la fuerza del componente CP-par y la del componente CP-impar, respectivamente. Los datos favorecen un ángulo de mezcla de CP muy cercano a 0 grados; en otras palabras, no muestran signos de violación de CP según lo predicho por el modelo estándar. Los valores de α superiores a 43 grados se excluyen al 95% de CL. Los valores superiores a 63 grados se excluirían si las señales ttH y tH en los datos correspondieran exactamente a las predichas por el modelo estándar. El resultado de ATLAS rechaza una señal de infracción de CP máxima con 3,9 σ.
Esta primera medición ATLAS de la propiedad CP de la interacción superior-Higgs se complementará con mediciones que involucren otros canales de desintegración del bosón de Higgs.
