Untersuchung fundamentaler Symmetrien der Natur mit dem Higgs-Boson

Wo ist die ganze Antimaterie geblieben? Nach dem Urknall sollen Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstanden sein. Warum wir in einem Universum aus Materie mit sehr wenig Antimaterie leben, bleibt ein Rätsel. Der Überschuss an Materie könnte durch die Verletzung der Charge-Parity (CP)-Symmetrie erklärt werden, was im Wesentlichen bedeutet, dass sich bestimmte Prozesse, an denen Teilchen beteiligt sind, anders verhalten als diejenigen, an denen ihre Antiteilchen beteiligt sind.

Die bisher beobachteten CP-verletzenden Prozesse reichen jedoch nicht aus, um die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum zu erklären. Neue Quellen der CP-Verletzung müssen da draußen sein – und könnten sich in Wechselwirkungen verstecken, an denen das Higgs-Boson beteiligt ist. Im Standardmodell der Teilchenphysik bewahren Higgs-Boson-Wechselwirkungen mit anderen Teilchen die CP-Symmetrie. Wenn Forscher in diesen Wechselwirkungen Anzeichen einer CP-Verletzung finden, könnten sie ein Hinweis auf eines der ältesten Geheimnisse des Universums sein.

In einer neuen Analyse ihres vollständigen Datensatzes aus Lauf 2 des LHC testete die ATLAS-Kollaboration die Higgs-Boson-Wechselwirkungen mit den Trägern der schwachen Kraft, den W- und Z-Bosonen, und suchte nach Anzeichen einer CP-Verletzung. Die Kollaboration untersuchte den Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Z-Bosonen, von denen sich jedes in ein Paar Leptonen (ein Elektron und ein Positron oder ein Myon und ein Antimyon) umwandelt, was zu vier geladenen Leptonen führt. Die Forscher untersuchten auch Wechselwirkungen, bei denen sich zwei W- oder Z-Bosonen zu einem Higgs-Boson verbinden. In diesem Fall werden zusammen mit dem Higgs-Boson ein Quark und ein Antiquark produziert, die im ATLAS-Detektor „Jets“ aus Teilchen erzeugen.

Diese Wechselwirkungen sind ideale Testfelder für CP-Verletzungen. Wenn die CP-Symmetrie erhalten bleibt, sollte das Verhaltensmuster der detektierten Jets und Leptonen das gleiche sein, wenn Teilchen mit ihren Antiteilchen ausgetauscht werden und ihre Flugrichtungen umgekehrt werden. Wenn jedoch die CP-Symmetrie verletzt wird, verhalten sich Teilchen und Antiteilchen unterschiedlich.

ATLAS-Wissenschaftler fassen alle Informationen über die bei diesen Prozessen detektierten Partikel in einer einzigen Zahl zusammen: dem optimalen Observable. Ein besonderes Merkmal dieser Observablen ist, dass ihr für Antiteilchen gemessener Wert gleich, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen zu dem der Teilchen sein sollte. Wenn ein Prozess die CP-Symmetrie bewahrt, sollte der Mittelwert der optimalen Observablen in den Daten Null sein. Andernfalls würde sich der Mittelwert von Null weg verschieben.

In seiner neuen Analyse, die jetzt auf der veröffentlicht wurde arXiv Preprint-Server verwendete ATLAS die beobachteten Werte der optimalen Observable, um den möglichen Umfang der CP-Verletzung direkt zu begrenzen. Die Forscher maßen auch, wie oft jeder Wert der optimalen Observable in den Daten vorkam, nachdem sie alle experimentellen Effekte korrigiert hatten.

Diese Messung ermöglichte es ATLAS, die Daten modellunabhängig mit theoretischen Vorhersagen zu vergleichen und die Gültigkeit der zugrunde liegenden theoretischen Annahmen zu testen. Dies ist das erste Mal, dass eine Messung des Zerfalls eines Higgs-Bosons in vier Leptonen es Physikern ermöglicht, potenzielle Anzeichen einer CP-Verletzung auf modellunabhängige Weise zu erkennen, ohne sich stark auf andere Aspekte der Standardmodellvorhersage als die CP-Symmetrie zu verlassen.

Alle Ergebnisse scheinen mit den Erwartungen des Standardmodells kompatibel zu sein, was eine weitere wichtige Bestätigung der aktuellen Naturtheorie darstellt. Dies ist jedoch nur der erste Schritt. Kleine CP-verletzende Signale bleiben mit den Daten kompatibel, und ATLAS sammelt bereits neue Kollisionsdaten bei beispiellosen Energien, die es ermöglichen werden, die Genauigkeit dieser Messungen zu erhöhen – und sich weiter auf die Natur des Higgs-Bosons zu konzentrieren.