Lorsqu'un boson W ou Z se désintègre, il produit deux particules appelées leptons. Les électrons, les muons et les neutrinos ainsi que leurs antiparticules sont des leptons.

Comme le boson Z a une charge nulle, il peut se désintégrer en deux leptons de charges opposées (par exemple un électron e^- et son antiparticule : le positron e⁺). Les bosons W ont eux une charge +1 ou -1 de sorte qu'un W peut se désintégrer en émettant un seul électron (ou muon) associé à un neutrino de charge nulle. L'histoire n'est pas finie...Mais cela suffit pour l'instant.

Le boson de Higgs peut se désintégrer de différentes façons. Les deux façons que vous rencontrerez sont :

• boson de Higgs se désintégrant en deux bosons Z,
• boson de Higgs se désintégrant en deux photons.

Lorsqu'un W+ ou W- est produit dans une collision proton-proton au centre de notre détecteur CMS, il se désintègre rapidement en deux leptons (un neutrino plus un électron ou un muon). Ces leptons s'éloignent du point de collision, s'écartent de l'axe du faisceau, et traversent les détecteurs de CMS.

Les trajectoires des électrons et des muons, révélées par les détecteurs internes, sont courbées par le puissant champ magnétique de CMS : dans le sens horaire pour les charges positives et antihoraire pour les charges négatives, lorsqu'on les regarde dans une vue x-y du logiciel de visualisation.

Les neutrinos ne sont pas détectés mais leur présence peut être mise en évidence. En effet, les trajectoires de l'ensemble des particules produites lors de la collision doivent présenter une symétrie par rapport à l'axe du faisceau dictée par la règle de la conservation de la quantité de mouvement. Si une particule sort du détecteur sans être détectée, une asymétrie peut être observée et mesurée. Cette « quantité de mouvement manquante » est signalée dans le logiciel de visualisation par une trace mauve généralement attribuée à la présence d'un neutrino.

Cliquez sur l'image de gauche pour en obtenir une version plus grande et inspectez-la en détail. Pouvez-vous repérer le vecteur « quantité de mouvement manquante » dans chacune de ces deux collisions ? Regardez attentivement la courbure des « autres » traces dans chaque cas. Laquelle de ces images présente-t-elle les meilleures signatures de la présence d'un boson W+ ou W- ? La courte trace vert dans l'image « Event A » correspond au passage d'un électron. Dans l'image « Event B », la longue trace rouge qui se propage jusqu'aux boîtes rouges est probablement produite par un muon.

Lorsqu'un boson Z est produit au cœur de CMS, il se désintègre également très rapidement, produisant soit une paire de muons (μ^-μ⁺) soit une paire d'électrons (e^-e⁺). Aucun neutrino n'est produit et il ne devrait donc pas y avoir de « quantité de mouvement manquante » dans un tel événement. En pratique cependant, beaucoup de choses se passent à chaque collision et le détecteur peut manquer une particule au passage de sorte qu'un peu de « quantité de mouvement manquante » peut être quand même observée.

Cliquez sur l'image de gauche pour en obtenir une version plus grande et inspectez-la en détail. Laquelle de ces images de collision présente-t-elle les meilleures signatures de la présence d'un boson Z se désintégrant en muons ? En électrons ? Laquelle présente les signatures d'un boson W ? Comment pouvez-vous distinguer un candidat W d'un candidat Z contenant un peu de « quantité de mouvement manquante » ?

Un boson de Higgs peut se désintégrer de différentes façons. Deux cas seulement nous concernent :

• Le Higgs se désintègre en deux bosons Z. Les bosons Z se désintègrent à leur tour en leptons, comme nous l'avons vu plus haut, nous obtenons donc quatre trajectoires de leptons : deux paires de muons (2 x μ^-μ⁺), ou deux paires d'électrons (2 x e^-e⁺), ou encore une paire de muons et une paire d'électrons (μ^-μ⁺e^-e⁺).
• Le Higgs se désintègre en deux photons. Les photons ne possèdent pas de charge électrique et ne sont donc pas vus dans les détecteurs internes. Ils laissent par contre d'importants dépôts d'énergie dans le ECal.

Cliquez sur l'image de gauche pour en obtenir une version plus grande et pour l'inspecter en détail. Ces deux événements sont des candidats bosons de Higgs. L'un d'entre eux montre deux photons (deux barres vertes représentant l'énergie dans le ECal sans aucune trajectoire correspondante dans les détecteurs internes). L'autre montre la désintegration possible d'un boson de Higgs en deux bosons Z (dans ce cas, chaque Z se désintègre immédiatement en deux électrons). A votre avis, à quel cas correspond chaque figure ?

Pour chaque image de collision, la ligne de faisceau est située le long de l'axe commun des cylindres ECAL et HCAL représentés sous forme de grillages. Quel est le meilleur candidat W ? Le meilleur candidat Z ? Dans chaque image, où se produisent la collision et la désintégration des particules ?

Avant de commencer

Si vous n'êtes pas familier des outils iSpy et CIMA:

• Allez à la page d'introduction.
• Consultez la vidéo sur iSpy et CIMA ou bien la page CMS Masterclass Documentation.
• Demandez à un chercheur ou un professeur prèsent.

Analysez les images de collisions
Pour travailler, vous disposerez des outils suivants:

• Un logiciel de visualisation (iSpy-webgl)
• CMS Instrument for Masterclass Analysis (CIMA),
• Un coéquipier.

Avec votre coéquipier, examinez les images des collisions, interprétez-les et utilisez la feuille de calcul pour noter vos observations. La feuille de calcul vous aidera à obtenir des rapports clés et à calculer la masse des candidats Z. Les masses de tous les candidats Z obtenus lors de cette masterclasse seront combinées pour produire un histogramme. Les chercheurs et professeurs présents aideront ensuite le groupe à comprendre les résultats avant de les envoyer aux modérateurs de la vidéoconférence.

Avec votre partenaire, vous aurez 100 collisions à analyser. Lorsque vous analysez une image de collision, demandez-vous:

• Peut-on voir une ou des traces de leptons (muon ou électron) ?
• Est-ce un candidat W ou Z ? Ou un autre type, non identifié ?
• Si vous pensez que c'est plutôt un W, est-ce un W+ ou un W- ?
• Si vous pensez que c’est plutôt un Z, pouvez vous identifier les 2 traces de leptons et les utiliser pour obtenir la masse invariante de leur particule mère ?
• Si vous pensez que c'est plutôt un Higgs, s'agit-il d'une désintégration en 4 leptons ou en 2 photons ?

Vous pourrez noter toutes vos réponses dans la feuille de calcul.


Résultats

Les chercheurs et professeurs présents vous aideront à combiner les résultats de tous les élèves (jusqu'à 3000 collisions) pour obtenir les informations suivantes :

• le rapport W/Z (pas si facile qu'il n'y paraît),
• le rapport W+/W-,
• le rapport e/μ,
• les masses du Z et des autres particules aux désintégrations similaires, obtenues par combinaison statistique (graphique de masse).
• le nombre de candidats Higgs se désintégrant en 4 leptons ou en 2 photons.

Une vidéoconférence, organisée de la manière suivante, réunira finalement tous les groupes qui participent à une masterclasse CMS le même jour.

• chaque masterclasse présente brièvement ses résultats,
• les modérateurs combinent les données de toutes les masterclasses et présentent un histogramme de masse combiné.
• un des modérateurs présente un graphique différent basé les même données que celle que vous avez analysées et l'explique,
• une session de questions-réponses au cours de laquelle vous pourrez poser toutes les questions que vous souhaitez, du fonctionnement du LHC jusqu'aux loisirs des physiciens.