用希格斯玻色子探索自然界的基本对称性

所有的反物质都去了哪里?大爆炸之后，物质和反物质应该等量产生。为什么我们生活在一个反物质很少的物质宇宙中，仍然是个谜。物质的过量可以用电荷宇称(CP)对称性的破坏来解释，这实质上意味着涉及粒子的某些过程与涉及其反粒子的过程表现不同。

然而，迄今为止观察到的违反CP的过程不足以解释宇宙中物质-反物质的不对称性。CP破坏的新来源肯定在那里——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守恒CP对称性。如果研究人员在这些相互作用中发现CP破坏的迹象，它们可能是解开宇宙最古老谜团之一的线索。

在对LHCRun2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违规的迹象。该合作研究了希格斯玻色子衰变为两个Z玻色子，每个Z玻色子转变为一对轻子(一个电子和一个正电子或一个介子和一个反介子)，从而产生四个带电的轻子。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“射流”。

这些交互是CP违规的理想测试场。当CP对称性守恒时，当粒子与其反粒子交换并且它们的飞行方向反转时，检测到的射流和轻子的行为模式应该相同。然而，如果CP对称性被破坏，粒子和反粒子的行为就会不同。

ATLAS科学家将这些过程中检测到的粒子的所有信息总结为一个数字：最佳可观测值。这个可观察量的一个特点是它的反粒子测量值应该与粒子的测量值相等但符号相反。如果过程保持CP对称性，则数据中最佳可观察值的平均值应为零。如果不是，则平均值将从零偏移。

在其现在发布在arXiv预印本服务器上的新分析中，ATLAS使用最佳可观察值的观察值直接限制可能的CP违规量。在校正任何实验效应后，研究人员还测量了最佳可观察值的每个值在数据中出现的频率。

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。这是第一次测量希格斯玻色子衰变成四个轻子，让物理学家能够以独立于模型的方式检测CP破坏的潜在迹象，而无需强烈依赖CP对称性以外的标准模型预测的其他方面。

所有的结果看起来都符合标准模型的预期，代表了对当前自然理论的又一次重要证实。然而，这只是第一步。违反CP的小信号与数据保持兼容，ATLAS已经在以前所未有的能量收集新的碰撞数据，这将提高这些测量的精度——进一步追踪希格斯玻色子的性质。