$CP$-odd form factor in the $HWW$ vertex

Het universum is gebouwd op een reeks fundamentele krachten die materie bij elkaar houden en uit elkaar duwen. Decennialang hebben natuurkundigen vertrouwd op één enkele, zeer succesvolle theorie genaamd het Standaardmodel om deze krachten en de deeltjes die ze dragen te beschrijven. In het hart van deze theorie staat een bijzonder veld dat massa geeft aan andere deeltjes, vergelijkbaar met hoe het bewegen door dik water je vertraagt. Het fysieke bewijs van dit veld is een deeltje dat bekend staat als het Higgs-boson, ontdekt in 2012. Sinds die ontdekking zijn wetenschappers druk bezig geweest met het meten van de eigenschappen ervan met extreme precisie, om te controleren of het zich precies gedraagt zoals de theorie voorspelt of dat het tekenen vertoont van iets nieuws en onverwachts. Een van de belangrijkste manieren om de theorie te testen, is door te observeren hoe het Higgs-boson interageert met andere deeltjes, specifiek de W-bosonen, die de dragers zijn van de zwakke kernkracht.

Een nieuwe studie door onderzoekers aan de Benemérita Universidad Autónoma de Puebla in Mexico kijkt nauwer naar een zeer subtiele interactie tussen het Higgs-boson en deze W-bosonen. In de standaardvisie van de deeltjesfysica kan het Higgs-boson vervallen in twee W-bosonen, maar vanwege de wetten van energie en massa is het onmogelijk dat beide W-bosonen tegelijkertijd volledig stabiel en "reëel" zijn tijdens dit proces. Eén van hen moet een vluchtig, virtueel deeltje zijn dat slechts een fractie van een seconde bestaat voordat het in andere materie verandert. De onderzoekers concentreerden zich op een specifieke, zeldzame eigenschap van deze interactie die betrokken is bij een eigenschap genaamd "pariteit", wat in essentie beschrijft hoe een systeem eruitziet wanneer het in een spiegel wordt gereflecteerd. Terwijl de belangrijkste krachten links en rechts meestal hetzelfde behandelen, kunnen bepaalde zeldzame kwantumeffecten een klein verschil creëren. Het team probeerde precies te berekenen hoe sterk dit spiegelbrekende effect is binnen het Standaardmodel, een vraag die voorheen niet met getallen was beantwoord.

Met behulp van krachtige computersimulaties om complexe berekeningen uit te voeren die betrokken zijn bij deeltjes die in en uit het bestaan komen, ontdekten de onderzoekers dat dit spiegelbrekende effect wel degelijk bestaat, maar dat het ongelooflijk zwak is. Ze ontdekten dat het effect alleen wordt gegenereerd wanneer de twee W-bosonen verschillende hoeveelheden energie hebben, een conditie die altijd waar is bij het verval van een Higgs-boson. De omvang van dit effect wordt bepaald door de lussen van andere deeltjes, met name zware quarks en leptonen, die kortstondig verschijnen binnen de interactie. De onderzoekers berekenden dat de sterkte van dit effect ongeveer één op honderdduizend is. Om dit in perspectief te plaatsen: als je zou proberen dit signaal te detecteren in een menigte van honderdduizend mensen, zou je zoeken naar één persoon die net even uit de pas loopt. Deze waarde is veel te klein om gezien te worden met de huidige technologie, die alleen signalen kan detecteren die ongeveer tien miljard keer groter zijn.

Hoewel het te klein is om nu te zien, is het vinden van dit effect belangrijk omdat het een werkelijke voorspelling is van het Standaardmodel. De onderzoekers toonden aan dat dit minuscule signaal niet wordt veroorzaakt door een fundamentele schending van symmetrie in de natuurwetten, maar eerder door de manier waarop deeltjes bewegen en interageren in lussen. Omdat het signaal echter complex is en een specifieke wiskundige structuur heeft, creëert het een achtergrondruis die niet kan worden verwijderd. Als wetenschappers in de toekomst een veel groter spiegelbrekend effect ontdekken, zullen ze precies moeten weten hoe groot deze kleine Standaardmodel-achtergrond is om er zeker van te zijn dat ze iets nieuws zien. De studie onderzocht ook hoe dit zwakke effect de manier waarop deeltjes uit het verval vliegen, kan veranderen. Ze ontdekten dat het een zeer lichte voorkeur creëert voor deeltjes om in één richting versus de andere te bewegen, of om op een specifieke manier te spinnen. Deze voorkeuren, bekend als asymmetrieën, zijn ook extreem klein, met waarden rond de één op een miljoen of één op tien miljoen.

Het artikel concludeert dat hoewel deze effecten echt zijn en voor het eerst zijn berekend, ze momenteel onzichtbaar zijn voor onze meest gevoelige detectoren. De Large Hadron Collider, de enorme machine die het Higgs-boson ontdekte, is nog niet gevoelig genoeg om deze kleine afwijkingen te meten. De onderzoekers merken op dat toekomstige verbeteringen in de manier waarop we deeltjes-spins en richtingen analyseren, ons uiteindelijk dichter bij dit doel kunnen brengen. Tot die tijd dient dit werk als een cruciale kaart, die de exacte basislijn definieert van wat het Standaardmodel voorspelt. Het zorgt ervoor dat wanneer we eindelijk een signaal zien dat de spiegel breekt, we zeker weten dat het voortkomt uit nieuwe fysica en niet uit een berekening die we over het hoofd hebben gezien. De studie bevestigt dat het universum consistent is met zijn huidige regels, zelfs in zijn meest subtiele en verborgen hoeken.