Boson Z
Les particules médiatrices de l'interaction faible sont au nombre de trois : les bosons chargés W+ et W- et le boson Z0 neutre. Les bosons Z sont produits de différentes manières lors des collisions proton-proton au LHC. Ces modes de production sont passés en revue dans une galerie d'images. Des diagrammes de Feynman sont utilisés comme illustrations. Pour en apprendre plus sur ces schémas très commodes, cliquez ici.

Désintégration des bosons Z
Le boson Z est lourd (91,2 GeV/c2, soit 100 fois environ la masse du proton) et il se désintègre immédiatement après sa production. Il peut se désintégrer dans de très nombreux modes et même si nous allons nous concentrer dans la suite sur seulement deux de ces possibilités nous vous les présentons toutes ici.
La propriété la plus importante à retenir est que comme le Z est neutre électriquement, la somme des charges de ses produits de désintégration doit être 0. Ce résultat provient du fait que la charge électrique est conservée dans la nature. Une fois cette règle prise en compte, les désintégrations possibles sont :
  1. Dans 10% des désintégrations du Z, des paires lepton-antilepton chargées sont produites. Les trois paires possibles sont électron-positron, muon-antimuon et tau-antitau. Chaque choix est equiprobable.
  2. Dans 20% des cas, le boson Z se désintègre en une paire de leptons neutres (= de charge électrique nulle), c’est-à-dire qu’il donne un neutrino et un antineutrino. Le détecteur ATLAS n’est pas capable de détecter des neutrinos car ces particules n’interagissent presque avec rien. Pour nous elles sont donc invisibles et la seule manière de les « voir » consiste à observer un défaut d’impulsion ou d’énergie transverse dans les produits visibles de la collision (en effet, l’impulsion transverse et l’énergie transverse sont conservées lors de la collision).
  3. Dans 70% des désintégrations une paire quark-antiquark est produite. Ces particules donnent des gerbes de particules – les « jets » – dans le détecteur.
Parmi tous ces modes de désintégration possible nous allons seulement étudier ceux dans lesquels le boson Z donne une paire électron-positron ou muon-antimuon. Ces désintégrations sont présentées sur les diagrammes de Feynman qui suivent.



Les événements produisant une paire d’électrons ou une paire de muons comme ceux représentés sur les deux diagrammes ci-dessus forment notre « signal » qu’il faudra chercher dans les échantillons de données. Ils montrent de manière non ambiguë qu’un boson Z a existé pendant un très court instant. Tous les autres événements sont de type « bruit de fond ». Détaillons-les dans la suite.

Événements de bruit de fond.
Lors d’une collision entre protons d’autres particules que des bosons Z – par exemple des bosons W ou des quarks top – peuvent aussi être créées. Ces particules se désintègrent immédiatement après leur production car elles sont également très lourdes. Pour distinguer les désintégrations de type signal d’un Z d’un événement W par exemple, il faut étudier les modes de désintégration de cette autre particule. Pour cela, nous allons utiliser des diagrammes de Feynman.
  • Comme vous pouvez le voir, la désintégration d’un boson W produit typiquement un seul lepton chargé et non pas deux comme pour le boson Z. Et il y a un neutrino en plus. Comme nous l’avons appris précédemment, on ne peut repérer un neutrino qu’en observant qu’une partie de l’énergie de l’événement est manquante.
  • Dans le cas de la production d’une paire top-antitop la situation est encore plus compliquée. Nous pouvons observer deux leptons chargés mais aussi des neutrinos et des quarks. Ainsi, même s’il y a autant de leptons chargés que dans le cas d’une désintégration du boson Z, on trouvera en plus des jets (issus des quarks) et de l’énergie manquante (les neutrinos) ce qui nous permettra de séparer ce type de collisions des événements Z.


Maintenant il est temps de s’entrainer à identifier des événements avec HYPATIA !