用希格斯玻色子探测自然界的基本对称性

所有的反物质都去哪儿了?在大爆炸之后，物质和反物质应该以等的数量产生。为什么我们生活在一个只有很少反物质的物质宇宙中，仍然是一个谜。物质的过量可以通过违反电荷奇偶校验(CP)对称性来解释，这本质上意味着涉及粒子的某些过程的行为与涉及其反粒子的过程不同。

然而，迄今为止观察到的违反CP的过程不足以解释宇宙中的物质 - 反物质不对称性。CP违反的新来源必须在那里 - 并且可能隐藏在涉及希格斯玻色子的相互作用中。在粒子物理学的标准模型中，希格斯玻色子与其他粒子的相互作用保持了CP对称性。如果研究人员在这些相互作用中发现CP违反的迹象，它们可能是宇宙最古老的谜团之一的线索。

在对大型强子对撞机运行2的完整数据集进行的新分析中，ATLAS合作测试了希格斯玻色子与弱力载体W和Z玻色子的相互作用，寻找CP违反的迹象。该合作研究了希格斯玻色子衰变成两个Z玻色子，每个Z玻色子都转化为一对轻子(一个电子和一个正电子或一个μ介子和一个反μ介子)，从而产生四个带电轻子。研究人员还研究了两个W或Z玻色子结合产生希格斯玻色子的相互作用。在这种情况下，一个夸克和一个反夸克与希格斯玻色子一起产生，在ATLAS探测器中产生粒子的“射流”。

这些相互作用是违反 CP 的理想试验场。当CP对称性守恒定时，当粒子与其反粒子交换并且它们的飞行方向相反时，检测到的射流和轻子的行为模式应该是相同的。但是，如果违反CP对称性，粒子和反粒子的行为会有所不同。

ATLAS科学家将有关在这些过程中检测到的粒子的所有信息汇总为一个数字：最佳可观察值。这种可观测物的一个特点是，它测量的反粒子值应该与粒子的值相等，但在符号上相反。如果过程保持 CP 对称性，则数据中最佳可观测值的平均值应为零。如果没有，平均值将从零移开。

在现在发布在arXiv预印本服务器上的新分析中，ATLAS使用最佳可观察量的观测值直接限制可能的CP违规量。研究人员还测量了在校正任何实验效应后，数据中每个最佳可观察值发生的频率。

这种测量使ATLAS能够以独立于模型的方式将数据与理论预测进行比较，并测试基本理论假设的有效性。这是第一次将希格斯玻色子衰变成四个轻子的测量使物理学家能够以独立于模型的方式检测CP违反的潜在迹象，而无需强烈依赖CP对称性以外的标准模型预测方面。

所有结果看起来都与标准模型的期望兼容，代表了对当前自然理论的另一个重要证实。然而，这只是第一步。小的CP违规信号仍然与数据兼容，ATLAS已经在以前所未有的能量收集新的碰撞数据，这将使这些测量的精度得到提高 - 进一步关注希格斯玻色子的性质。