Vous allez étudier des collisions présentant des signatures multiples pour :
- déterminer les meilleurs candidats pour les bosons W, Z, le boson de Higgs bosons, de d’autres encore,
- différencier les candidats W+ des candidats W-,
- différentier les désintégrations en électrons de celles en muons,
- déterminer des rapports clés,
- et construire les histogrammes des masses des événements avec 2 leptons et avec 4 leptons.
Prérequis
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.
Celle que vous verrez le plus probablement est la désintégration du boson de Higgs en deux bosons Z.
Événements simple lepton (une trace de lepton et de l’implusion manquante
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.
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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.
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Événements dileptons (deux traces de leptons du même type)
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.
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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 » ?
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Événements 4 leptons (deux dileptons provenant du même vertex)
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.
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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 ?
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Eléments des événements dans "iSpy-webgl"
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 ?
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Avant de commencer
Si vous n'êtes pas familier des outils
iSpy et
CIMA:
Analysez les images de collisions
Pour travailler, vous disposerez des outils suivants:
- Un logiciel de visualisation d’événements :
- CMS Instrument for Masterclass Analysis:
- Un coéquipier.
Votre binôme et vous examinez l’événement grâce au logiciel de visualisation, l’interprétez, et utilisez CIMA afin d’enregistrer vos observations.
CIMA vous aidera à trouver les rapports intéressants et les histogrammes de masses de vos candidats. 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 événement avec 1, 2 ou 4 leptons ? Ou autre chose ? Est-ce un événement "zoo" ?
- Avec un seul lepton, est-ce un candidat W+ or W- ?
- Avec deux leptons, pouvez-vous identifier les 2 traces des leptons et les utiliser pour calculer la masse invariante de la particule parente ?
- Si cela ressemble plus à un événement avec 4 leptons, pouvez-vous identifier les 4 traces des leptons et les utiliser pour calculer la masse invariante de la particule parente ?
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,
- la masse du Z et des autres particules avec des désintégrations similaires en provenance de l’histogramme de masse 2-leptons.
- les masses des particules parentes dont sont issues les 4 leptons et l’identité éventuelle de ces particules.
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.
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