Il bosone Z
Le particelle responsabili delle interazioni deboli sono i bosoni mediatori W+, W- e il neutro Z0. I bosoni Z sono prodotti in diversi modi nei processi di collisione protone-protone. Questi sono presentati nella seguente galleria di immagini. I diagrammi di Feynman vengono usati per meglio illustrare i processi. Impara a conoscere i diagrammi di Feynman qui.

Decadimento dei bosoni Z
Il bosone Z è pesante (91,2 GeV/c2, circa 100 volte più pesante del protone) e decade subito dopo la sua creazione. Può decadere in diversi modi, che illustreremo tutti anche se poi ci concentreremo solo su due di essi.
La cosa più importante da ricordare è che, essendo lo Z neutro, la somma delle cariche elettriche dei suoi prodotti di decadimento deve essere 0, perché in natura la carica elettrica è conservata. Abbiamo quindi i seguenti possibili decadimenti:
  1. Nel 10% dei decadimenti dello Z si producono coppie leptone-antileptone. I tre possibili tipi di coppie di leptoni carichi sono elettrone-positrone, muone-antimuone e tau-antitau. Ogni coppia si produce con la stessa probabilità.
  2. Nel 20% dei casi il bosone Z decade in una coppia leptone-antileptone neutra (carica elettrica=0), ovvero una coppia neutrino-antineutrino. Il nostro rivelatore non è in grado di rivelare i neutrini, perché essi interagiscono pochissimo con la materia. Quindi i neutrini sono invisibili per noi e l'unico modo per "vederli" è misurare che vi sia una certa quantità di energia o di quantità di moto trasversa mancante dopo la collisione (perché sappiamo che sia l'energia che la quantità di moto trasversa si conservano nella collisione).
  3. Nel 70% dei suoi decadimenti si produce una coppia quark-antiquark, che appare nel rivelatore come sciami di particelle chiamati "jets".
Fra tutti questi possibili modi di decadimento del bosone Z studieremo solo quello in elettrone-positrone o muone-antimuone. Tali decadimenti sono illustrati nei seguenti diagrammi di Feynman:



Gli eventi con una coppia di elettroni o di muoni, illustrati nei due diagrammi qui sopra, sono i nostri eventi di segnale nel campione di dati. Essi indicano in maniera non ambigua che un bosone Z è stato presente nel rivelatore per un brevissimo tempo. Tutte le altre tipologie di eventi vanno classificate come fondo. Diamo un'occhiata ai possibili eventi di fondo in quest'ultima galleria di immagini:

Eventi di fondo
Quando i protoni collidono possono essere creati non solo bosoni Z, ma anche bosoni W o quark top. Anche queste particelle decadono immediatamente dopo la loro produzione, perché sono anch'esse molto pesanti. Per distinguere un evento di segnale Z, per esempio, da un evento di W, bisogna studiare il modo in cui l'altra particella può decadere, cosa che si può fare facilmente guardando i diagrammi di Feynman:
  • Come puoi vedere un bosone W decade tipicamente in un solo leptone carico, non due come il bosone Z, accompagnato da un neutrino. Come abbiamo visto, la presenza di un neutrino sarà segnalata solamente dall'energia mancante nel nostro bilancio di energia.
  • Nel caso di una coppia top-antitop il quadro è anche più complesso. Possiamo vedere in totale due leptoni carichi, ma anche neutrini e quark. Quindi, sebbene anche qui avremo due leptoni carichi, come nel decadimento del bosone Z, vedremo in più dei jets (dai quark) ed energia mancante (dai neutrini). Queste caratteristiche ci permettono di distinguere questo tipo di collisione dagli eventi con bosone Z.


Cominciamo ora ad imparare a identificare eventi con HYPATIA!