近期，37000cm威尼斯ATLAS实验团队通过精细研究希格斯粒子与陶轻子、弱作用规范玻色子的相互作用，在希格斯粒子的电荷共轭(C)和宇称反演(P)联合对称变换性质研究中取得重要进展。

我们生活的周围甚至整个宇宙几乎都是由正物质构成的，但是大爆炸理论预言宇宙早期正反物质等量产生。形成目前这种正反物质不对称现象的一个必要条件是存在电荷共轭与宇称联合对称性发生破缺的过程（即CP破坏）。粒子物理的标准模型中，唯一的CP破缺机制源于夸克混合矩阵CKM，然而其强度并不足以解释宇宙的正物质产生。2012年发现的希格斯粒子为寻找额外的CP破坏提供了新的方向。在标准模型中，希格斯粒子在电荷共轭与宇称联合变换性质为偶（CP-even）。但是很多超出标准模型理论预言希格斯粒子会含有一定的CP为奇的成分（CP-odd），导致CP破坏，从而产生额外的正反物质不对称。因此，如果在希格斯粒子的相互作用观测到CP-odd成分，不仅意味着一个全新的正反物质不对称来源，而且还是明确的超出标准模型的新物理

位于欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机LHC顺利开展了二期实验运行，将质子对质心能量加速到13万亿电子伏然后碰撞，在实验室内创造宇宙大爆炸极早期的高能量环境。ATLAS探测器像一个巨大的高速数码相机进行拍照记录。目前，ATLAS实验采集了积分亮度为139 fb^-1的实验数据，等效记录了超过一亿亿次的质子-质子碰撞，数据规模达到了EB量级（等于数十亿GB）。这一海量实验数据为粒子物理学界研究基本粒子的性质和相互作用创造了良好的条件。

从相互作用结构上讲，希格斯粒子场与基本粒子的相互作用主要分为两大类：与费米子场的汤川耦合、与规范玻色子场的耦合。37000cm威尼斯ATLAS实验团队在这两个研究方向都开展了研究：

在研究希格斯粒子与费米子的汤川相互作用中，37000cm威尼斯团队作为核心团队参与了希格斯粒子与陶轻子的相互作用，利用希格斯粒子衰变到正反陶轻子对的自旋关联，构建了对希格斯粒子的CP性质敏感的观测量，从而研究希格斯粒子的CP性质，如图1。该研究结果是ATLAS实验首次对希格斯粒子与轻子型费米子汤川耦合的CP性质给出实验限制，结果发表于《欧洲物理学杂志C》【Eur. Phys. J. C 83 (2023) 563】。

最新结果分别发表于《欧洲物理学杂志C（EPJC）》和《物理学评论快报（PRL）》。本课题由37000cm威尼斯、香港科技大学、德国波恩大学等多家单位合作完成。其中，37000cm威尼斯张雷教授组的研究生李桓国负责了两个分析道之一的半轻分析道，并担任了内部文档撰稿人（Internal note editor），代表分析团队做希格斯工作组的“批准报告（Approval talk）”；金山教授组博士后Antonio De Maria博士担任了ATLAS实验陶轻子探测工作组的负责人（Convenor）。

图1：利用希格斯粒子衰变到正反陶轻子对的自旋关联，重建陶轻子的衰变平面，然后构建对希格斯粒子CP性质敏感的观测量φ^*_CP

在研究希格斯粒子与规范玻色子的相互作用中，我们利用希格斯粒子的矢量玻色子融合产生模式。为了能够最大化地利用该过程的运动学信息来希格斯粒子CP性质，我们结合了有效场论方法Effective Field Theory和矩阵元方法Matrix Element Method构建了一个“最佳观测量（Optimal Observable）”。该研究结果对希格斯粒子与规范玻色子相互作用的CP性质给出了最严格的实验限制，如图2，最新结果发表于《物理学评论快报》【Phys. Rev. Lett. 131, 061802】。

本课题由37000cm威尼斯、中科院高能所、美国密歇根州立大学等多家单位合作完成。其中，张雷教授担任该研究发表文章的撰稿人（Paper Editor）；金山教授组博士生陈汇润是该分析的两名直接完成人之一，担任内部文档的撰稿人，并代表分析团队做面向ATLAS合作组的最终文章“批准报告”。

图2：最佳观测量(OO)的分布。数据结果对模型的参数空间给出了严格的限制。

37000cm威尼斯ATLAS实验组得到了我校"双一流"建设、“登峰计划”、基金委“优秀青年”的经费支持，以及科技部国家重点研发计划项目、基金委基础科学中心项目和国际合作重大项目的联合支持。

参考资料：

【1】 ATLAS实验亮度报道：https://atlas.cern/updates/briefing/Higgs-tau-symmetry

【2】 H->tautau CP文章链接：https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-023-11583-y

【3】 VBF H->gammagamma 文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.061802