Eventi candidati ATLAS (a sinistra) e CMS (a destra) per un bosone di Higgs che decade in una coppia di leptoni tau. Credito:CERN
Le simmetrie fanno girare il mondo, ma anche le asimmetrie. Un esempio calzante è un'asimmetria nota come asimmetria di parità di carica (CP), che è necessaria per spiegare perché la materia supera di gran lunga l'antimateria nell'universo di oggi anche se entrambe le forme di materia avrebbero dovuto essere create in quantità uguali nel Big Bang .
Il modello standard della fisica delle particelle, la teoria che meglio descrive gli elementi costitutivi della materia e le loro interazioni, include fonti di asimmetria CP e alcune di queste fonti sono state confermate in esperimenti. Tuttavia, queste sorgenti del modello standard generano collettivamente una quantità di asimmetria CP che è troppo piccola per spiegare lo squilibrio materia-antimateria nell'universo, spingendo i fisici a cercare nuove fonti di asimmetria CP.
In due recenti indagini indipendenti, le collaborazioni internazionali ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC) si sono rivolte al bosone di Higgs scoperto dieci anni fa per vedere se questa particella unica nasconde una nuova fonte sconosciuta di asimmetria CP.
I team di ATLAS e CMS avevano precedentemente cercato e non avevano trovato segni di asimmetria CP nelle interazioni del bosone di Higgs con altri bosoni, nonché con la particella fondamentale più pesante conosciuta, il quark top. Nei loro ultimi studi, ATLAS e CMS hanno cercato questa asimmetria nell'interazione tra il bosone di Higgs e il leptone tau, una versione più pesante dell'elettrone.
Per cercare questa asimmetria, ATLAS e CMS hanno prima cercato i bosoni di Higgs che si trasformavano, o "decadevano", in coppie di leptoni tau nei dati di collisione protone-protone registrati dagli esperimenti durante la seconda corsa dell'LHC (2015-2018). Hanno quindi analizzato il movimento di questo decadimento, o "cinematica", che dipende da un angolo, chiamato angolo di miscelazione, che quantifica la quantità di asimmetria CP nell'interazione tra il bosone di Higgs e il leptone tau.
Nel Modello Standard, l'angolo di miscelazione è zero e quindi l'interazione è simmetrica CP, il che significa che rimane la stessa sotto una trasformazione che scambia una particella con l'immagine speculare della sua antiparticella. Nelle teorie che estendono il Modello Standard, tuttavia, l'angolo può deviare da zero e l'interazione può essere parzialmente o completamente CP asimmetrica a seconda dell'angolo; un angolo di -90 o +90 gradi corrisponde a un'interazione completamente CP-asimmetrica, mentre qualsiasi angolo intermedio, eccetto 0 gradi, corrisponde a un'interazione CP-asimmetrica parzialmente.
Dopo aver analizzato i loro campioni di decadimento del bosone di Higgs in leptoni tau, il team di ATLAS ha ottenuto un angolo di miscelazione di 9 ± 16 gradi e il team CMS di -1 ± 19 gradi, entrambi i quali escludono un'interazione bosone-tau di Higgs completamente asimmetrica CP con una significatività statistica di circa tre deviazioni standard.
I risultati sono coerenti con il modello standard all'interno della presente precisione di misurazione. Ulteriori dati consentiranno ai ricercatori di confermare questa conclusione o di individuare l'asimmetria CP nell'interazione bosone di Higgs-leptone tau, che avrebbe un profondo impatto sulla nostra comprensione della storia dell'universo.
Con la terza serie di LHC che inizierà presto, le collaborazioni ATLAS e CMS non dovranno aspettare troppo a lungo prima di poter inserire più dati nei loro kit di analisi per scoprire se il bosone di Higgs nasconde o meno una nuova fonte di CP asimmetria. + Esplora ulteriormente
