Figure 1 :À gauche :la distribution bidimensionnelle du BDT de rejet de fond et du CP BDT dans les événements diphotons cohérents avec les quarks supérieurs à désintégration hadronique dans les processus ttH ou tH. En haut à droite :projection unidimensionnelle vers le BDT de rejet de fond. En bas à droite :projection unidimensionnelle vers le CP BDT. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Lorsqu'une particule est transformée en son antiparticule et ses coordonnées spatiales inversées, les lois de la physique doivent rester les mêmes, du moins c'est ce que nous pensions. Cette symétrie - connue sous le nom de symétrie CP (conjugaison de charges et symétrie de parité) - était considérée comme exacte jusqu'en 1964, lorsqu'une étude du système de particules du kaon a conduit à la découverte de la violation de CP.
La violation de CP est une caractéristique essentielle de notre univers. Le déséquilibre entre matière et antimatière, qui a conduit à l'univers actuel, est une conséquence de processus de violation de CP qui se sont produits quelques instants après le Big Bang. Cependant, la taille de la violation de CP, observé jusqu'à présent exclusivement dans l'interaction faible, est insuffisant pour expliquer le déséquilibre actuel entre la matière et l'antimatière. De nouvelles sources de violation de CP doivent donc exister.
La découverte du boson de Higgs a permis aux physiciens de rechercher ces nouvelles sources de violation de CP. La collaboration ATLAS au CERN a effectué un test direct des propriétés CP de l'interaction entre le boson de Higgs et les quarks top. Le résultat est basé sur une analyse de l'ensemble de données Run-2 complet du Large Hadron Collider (LHC), en regardant les événements de collision où le boson de Higgs est produit en association avec un ou deux quarks top, et se désintègre en deux photons. Une analyse similaire a été récemment publiée par la collaboration CMS.
Rester au sommet du Higgs
Comme le quark top est la particule élémentaire la plus lourde du modèle standard, il a l'interaction la plus forte avec le boson de Higgs. Cette interaction a des effets observables dans les collisions de protons au LHC, produisant un boson de Higgs en association avec une paire de quarks top (ttH) ou avec un seul quark top (tH).
Figure 2 :À gauche :la distribution bidimensionnelle de la masse invariante du diphoton et de la masse candidate du quark top pour les événements de données des 20 catégories. En haut à droite :la distribution de masse invariante du diphoton. En bas à droite :la distribution de masse du candidat quark top primaire. Toutes les entrées sont pondérées par la catégorie à laquelle elles appartiennent. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Le processus ttH représente environ 1 % des bosons de Higgs produits au LHC, et a été observée par les expériences ATLAS et CMS en 2018. Cependant, le procédé tH est beaucoup plus rare, en partie à cause de l'interférence destructive entre les contributions induites par l'interaction top-Higgs et celles induites par l'interaction W-boson-Higgs. Cette interférence pourrait être considérablement modifiée lorsque de nouveaux processus physiques sont présents, ce qui pourrait conduire à une augmentation du taux de production de tH.
Dans le modèle standard, l'interaction top–Higgs conserve la symétrie CP, une caractéristique souvent appelée « CP-même ». Cependant, une composante de violation de CP (ou "CP-impair") de l'interaction top-Higgs peut exister. Sa présence pourrait modifier les taux de production attendus ainsi que les propriétés cinématiques des processus ttH et tH. Les deux peuvent être mesurés par l'expérience ATLAS, permettant aux physiciens de démêler les composantes CP-pair et CP-impair, leurs fractions relatives (exprimées par l'angle de mélange CP, ), et la force d'interaction top-Higgs (κ
Sélection d'un signal
La nouvelle mesure ATLAS utilise deux discriminants Boosted Decision Tree (BDT) :le « Background Rejection BDT », entraînés à séparer les événements ttH et tH des processus d'arrière-plan ; et le "CP BDT", qui utilise les propriétés cinématiques du boson de Higgs et des quarks top pour séparer les événements CP-pair des CP-impairs.
Après avoir appliqué les deux BDT (voir Figure 1), Les physiciens d'ATLAS ont ensuite classé les événements en 20 catégories. La figure 2 présente la distribution bidimensionnelle de la masse de la paire de photons et de la masse du candidat quark top, pour les événements des 20 catégories. Les entrées ont été pondérées en fonction des rapports signal/arrière-plan de leurs catégories, afin que le pouvoir de la catégorisation puisse être visualisé. Une concentration d'événements compatible avec la masse du boson de Higgs et la masse du quark top peut être observée.
Figure 3 :Contours d'exclusion dans un espace des phases à deux dimensions, où les axes horizontal et vertical correspondent à la force de la composante CP-pair et celle de la composante CP-impaire, respectivement. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Les physiciens d'ATLAS ont ensuite effectué une analyse statistique de ces ensembles de données. Le processus ttH dans ce canal a été observé avec une signification de 5,2 écarts-types (σ), et une force de signal de 1,4 ± 0,4 ± 0,2 fois l'attente du modèle standard, où la première incertitude est statistique et la seconde systématique. Une limite supérieure de 12 fois la prédiction du modèle standard à un niveau de confiance (CL) de 95 % a été trouvée pour la section efficace du processus tH, qui est la limite la plus compétitive à ce jour.
Avec le procédé ttH ainsi établi, les données catégorisées ont été utilisées pour tester de nouvelles hypothèses physiques avec différentes valeurs de
La figure 3 montre les contours d'exclusion dans un espace à deux dimensions, où les axes horizontal et vertical correspondent à la force de la composante CP-pair et celle de la composante CP-impaire, respectivement. Les données favorisent un angle de mélange CP très proche de 0 degré; en d'autres termes, ne montrant aucun signe de violation de CP comme prévu par le modèle standard. Les valeurs de supérieures à 43 degrés sont exclues à 95% CL. Les valeurs supérieures à 63 degrés seraient exclues si les signaux ttH et tH dans les données correspondaient exactement à ceux prédits par le modèle standard. Le résultat ATLAS rejette un signal maximal de violation de CP avec 3,9 .
Cette première mesure ATLAS de la propriété CP de l'interaction sommet-Higgs sera complétée par des mesures impliquant d'autres canaux de désintégration du boson de Higgs.
