Куда делась вся антиматерия? После Большого взрыва материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах. Почему мы живем во вселенной материи с очень небольшим количеством антиматерии, остается загадкой. Избыток материи можно объяснить нарушением симметрии зарядовой четности (CP), что по существу означает, что определенные процессы, в которых участвуют частицы, ведут себя иначе, чем те, в которых участвуют их античастицы.
Однако наблюдаемые до сих пор процессы с нарушением СР недостаточны для объяснения асимметрии вещества и антивещества во Вселенной. Должны быть новые источники CP-нарушения — и они могут скрываться во взаимодействиях с участием бозона Хиггса. В Стандартной модели физики элементарных частиц взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами сохраняют CP-симметрию. Если исследователи обнаружат в этих взаимодействиях признаки CP-нарушения, они могут стать ключом к разгадке одной из древнейших загадок Вселенной.
В новом анализе своего полного набора данных из запуска 2 LHC коллаборация ATLAS проверила взаимодействие бозона Хиггса с носителями слабого взаимодействия, бозонами W и Z, в поисках признаков нарушения СР. Коллаборация изучала распад бозона Хиггса на два Z-бозона, каждый из которых превращается в пару лептонов (электрон и позитрон или мюон и антимюон), в результате чего получается четыре заряженных лептона. Исследователи также изучили взаимодействия, при которых два бозона W или Z объединяются, образуя бозон Хиггса. В этом случае вместе с бозоном Хиггса рождаются один кварк и один антикварк, создавая «струи» частиц в детекторе ATLAS.
Эти взаимодействия являются идеальным полигоном для проверки нарушения СР. При сохранении CP-симметрии картина поведения обнаруженных струй и лептонов должна быть одинаковой при обмене частицами с их античастицами и изменении направления их полета. Однако при нарушении СР-симметрии частицы и античастицы ведут себя по-разному.
Ученые ATLAS обобщают всю информацию о частицах, обнаруженных в этих процессах, в единое число: оптимальное наблюдаемое. Особенностью этой наблюдаемой является то, что ее значение, измеренное для античастиц, должно быть равно, но противоположно по знаку, значению частиц. Если процесс сохраняет CP-симметрию, среднее значение оптимальной наблюдаемой в данных должно быть равно нулю. Если это не так, среднее значение сместится от нуля.
В своем новом анализе, опубликованном на сервере препринтов arXiv , ATLAS использовала наблюдаемые значения оптимальной наблюдаемой, чтобы напрямую установить ограничения на возможное количество нарушений СР. Исследователи также измерили, как часто каждое значение оптимальной наблюдаемой встречалось в данных после поправки на любые экспериментальные эффекты.
Это измерение позволило ATLAS сравнить данные с теоретическими прогнозами независимым от модели способом и проверить обоснованность основных теоретических предположений. Это первый случай, когда измерение распада бозона Хиггса на четыре лептона позволило физикам обнаружить потенциальные признаки CP-нарушения модельно-независимым способом, не сильно полагаясь на аспекты предсказания Стандартной модели, отличные от CP-симметрии.
Все результаты кажутся совместимыми с ожиданиями Стандартной модели, что представляет собой еще одно важное подтверждение современной теории природы. Однако это только первый шаг. Небольшие сигналы, нарушающие CP, остаются совместимыми с данными, и ATLAS уже собирает новые данные о столкновениях при беспрецедентных энергиях, которые позволят повысить точность этих измерений — еще больше углубляясь в природу бозона Хиггса.
