Bosão Z0
As partículas mediadoras da interacção fraca são os três bosões W+, W- e o Z0. Os bosões Z0 são produzidos de formas diferentes em colisões protão-protão no LHC. A galeria de imagens que se segue introduz essas formas, usando diagramas de Feynman para uma melhor ilustração. Saiba mais sobre diagramas de Feynman aqui.

Decaimento dos Bosões Z0
O bosão Z0 é bastante pesado (91,187 GeV/c2, aproximadamente 100 vezes a massa do protão), e decai imediatamente após a sua criação. Pode decair de muitas formas diferentes, e embora mais tarde só nos vamos concentrar em duas delas, iremos falar sobre todas aqui.
O mais importante é lembrar que, como o bosão Z0 é neutro, a soma das cargas eléctricas dos seus produtos de decaimento tem de ser 0. Isto porque na natureza a carga eléctrica é conservada. Assim temos as seguintes possibilidades de decaimento:
  1. Em 10% dos decaimentos do bosão Z0, são produzidos pares leptão-anti-leptão carregados. Os três pares possíveis são pares electrão-positrão, muão-anti-muão, e tau-anti-tau. Cada par é igualmente provável.
  2. Em 20% dos casos o bosão Z0 decai num par leptão-anti-leptão neutrons, nomeadamente um par neutrino-anti-neutrino. Os detectores em LHC não são capazes de detectar neutrinos (ou anti-neutrinos), porque estes mal interagem com o que quer que seja. Os neutrinos são assim invisíveis e a única forma que temos de os "ver" é através da energia e momento linear transversos que transportam e que não se recuperam, após a colisão (dado que se sabe que o momento linear deve ser conservado e, embora não se saiba a componente longitudinal, no eixo dos zz, do momento linear do sistema antes da colisão, sabe-se contudo que a componente transversal do momento linear do sistema é nula; assim, após a colisão também teremos de ter o momento linear transverso total igual a zero).
  3. Em 70% dos decaimentos do bosão Z0 é produzido um par quark-anti-quark. Como os quarks não andam isolados, dão origem a chuveiros de partículas (jactos) nos detectores.
De todos estes possíveis modos de decaimento, só iremos estudar os decaimentos do bosão Z0 em pares electrão-positrão ou muão-anti-muão. Estes decaimentos são ilustrados pelos diagramas seguintes:



Acontecimentos com um par electrão-positrão ou um par muão-anti-muão, como ilustrados nos dois diagramas em cima, são os nossos acontecimentos de sinal nas nossas amostras de dados. São uma indicação sem ambiguidades que um bosão Z0 terá existido por um período muitíssimo curto. Todos os outros acontecimentos são classificados como acontecimentos de fundo. Vamos olhar para alguns possíveis acontecimentos de fundo na última galeria de imagens:

Acontecimentos de fundo
Quando os protões colidem, podem produzir-se bosões Z0, mas também outras partículas podem ser produzidas em vez do Z0, por exemplo, um bosão W ou um quark top. Estas partículas também decaiem imediatamente após a sua criação, pois também são muito pesadas. Uma forma de distinguir entre um acontecimento de sinal, com um bosão Z0, de um acontecimento de fundo, por exemplo com um bosão W, é estudar as formas como as partículas decaiem. E uma forma simples de perceber isto é olhar para os diagramas de Feynman:
  • Assim pode-se ver que um bosão W irá tipicamente decair num só leptão carregado, e não dois como num bosão Z0. E além disso, há um neutrino (ou anti-neutrino). Como vimos em cima, um neutrino irá levar energia significativa que não se detectará, e portanto podemos compreender que há um neutrino devido à quantidade de energia transversa em falta.
  • Olhando para o caso top-anti-top, a descrição é ainda mais complicada. Podemos ter dois leptões carregados, mas também neutrinos e quarks. Assim, embora também tenhamos dois leptões carregados como no decaimento do bosão Z0, teremos além disso jactos (criados pelos quarks) e energia transversa significativa em falta (dos neutrinos), e este caso pode então ser distinguido do caso com bosão Z0.


É altura de practicar um pouco de classificação de acontecimentos com HYPATIA!