Quando una particella viene trasformata nella sua antiparticella e le sue coordinate spaziali invertite, le leggi della fisica devono rimanere le stesse, o almeno così pensavamo. Questa simmetria, nota come simmetria CP (coniugazione di carica e simmetria di parità), era considerata esatta fino al 1964, quando uno studio del sistema di particelle di kaon ha portato alla scoperta della violazione di CP.

La violazione della PC è una caratteristica essenziale del nostro universo. Lo squilibrio tra materia e antimateria, che ha portato all'universo odierno, è una conseguenza dei processi di violazione di CP che si sono verificati pochi istanti dopo il Big Bang. Però, la dimensione della violazione CP, osservato finora esclusivamente nell'interazione debole, è insufficiente per spiegare l'attuale squilibrio materia-antimateria. Devono quindi esistere nuove fonti di violazione della CP.

La scoperta del bosone di Higgs ha aperto opportunità ai fisici di cercare queste nuove fonti di violazione della PC. La collaborazione ATLAS al CERN ha eseguito un test diretto delle proprietà CP dell'interazione tra il bosone di Higgs ei quark top. Il risultato si basa su un'analisi dell'intero set di dati Run-2 del Large Hadron Collider (LHC), osservando gli eventi di collisione in cui il bosone di Higgs viene prodotto in associazione con uno o due quark top, e decade in due fotoni. Un'analisi simile è stata recentemente rilasciata dalla CMS Collaboration.

Rimanere in cima all'Higgs

Poiché il quark top è la particella elementare più pesante nel Modello Standard, ha la più forte interazione con il bosone di Higgs. Questa interazione ha effetti osservabili nelle collisioni di protoni a LHC, producendo un bosone di Higgs in associazione con una coppia di quark top (ttH) o con un singolo quark top (tH).

Il processo ttH rappresenta circa l'1% dei bosoni di Higgs prodotti all'LHC, ed è stato osservato dagli esperimenti ATLAS e CMS nel 2018. Tuttavia, il processo tH è molto più raro, in parte a causa dell'interferenza distruttiva tra i contributi indotti dall'interazione top-Higgs con quelli indotti dall'interazione W-bosone-Higgs. Questa interferenza potrebbe essere significativamente alterata quando sono presenti nuovi processi fisici, che potrebbe portare ad un aumento del tasso di produzione di tH.

Nel modello standard, l'interazione top-Higgs conserva la simmetria CP, una caratteristica spesso chiamata "CP-even". Però, può esistere una componente che viola CP (o "CP-dispari") dell'interazione top-Higgs. La sua presenza potrebbe modificare le velocità di produzione previste e le proprietà cinematiche dei processi ttH e tH. Entrambi possono essere misurati dall'esperimento ATLAS, consentendo ai fisici di districare i componenti CP-pari e CP-dispari, le loro frazioni relative (espresse dall'angolo di miscelazione CP, a), e la forza di interazione top-Higgs (κ _T ).

Selezione di un segnale

La nuova misura ATLAS utilizza due discriminanti Boosted Decision Tree (BDT):il "Background Rejection BDT", addestrato a separare gli eventi ttH e tH dai processi in background; e il "CP BDT", che utilizza le proprietà cinematiche del bosone di Higgs e dei quark top per separare gli eventi CP-pari da CP-dispari.

Dopo aver applicato entrambi i BDT (vedi Figura 1), I fisici di ATLAS hanno quindi classificato gli eventi in 20 categorie. La Figura 2 presenta la distribuzione bidimensionale della massa della coppia di fotoni e la massa del candidato top-quark, per eventi di tutte le 20 categorie. Le voci sono state ponderate in base ai rapporti segnale-sfondo delle loro categorie, in modo che il potere della categorizzazione potesse essere visualizzato. Si può osservare una concentrazione di eventi coerente con la massa del bosone di Higgs e la massa del quark top.

I fisici di ATLAS hanno quindi eseguito un'analisi statistica di questi set di dati. Il processo ttH in questo canale è stato osservato con una significatività di 5,2 deviazioni standard (σ), e una potenza del segnale di 1,4 ± 0,4 ± 0,2 volte l'aspettativa del modello standard, dove la prima incertezza è statistica e la seconda sistematica. È stato trovato un limite superiore di 12 volte la previsione del modello standard al livello di confidenza (CL) del 95% per la sezione trasversale del processo tH, che è il limite più competitivo fino ad oggi.

Con il processo ttH così stabilito, i dati categorizzati sono stati utilizzati per testare nuove ipotesi fisiche con diversi valori di κ _T e α. I fisici di ATLAS hanno adottato vincoli specifici da una recente combinazione di misurazioni dell'accoppiamento del bosone di Higgs in modo che l'interpretazione non dipenda da ipotesi specifiche del modello.

La figura 3 mostra i contorni di esclusione in uno spazio bidimensionale, dove gli assi orizzontale e verticale corrispondono alla forza della componente CP-pari e a quella della componente CP-dispari, rispettivamente. I dati favoriscono un angolo di miscelazione CP molto vicino a 0 gradi; in altre parole, non mostra segni di violazione della CP come previsto dal Modello Standard. I valori di α maggiori di 43 gradi sono esclusi al 95% CL. Valori superiori a 63 gradi sarebbero esclusi se i segnali ttH e tH nei dati corrispondessero esattamente a quelli previsti dal Modello Standard. Il risultato ATLAS rifiuta un segnale di violazione massima di CP con 3,9 .

Questa prima misurazione ATLAS della proprietà CP dell'interazione top-Higgs sarà completata da misurazioni che coinvolgono altri canali di decadimento del bosone di Higgs.