La découverte des bosons WLa découverte des bosons W±± et et ZZ00 au CERN au CERN

IntroductionIntroduction

Les bosons WLes bosons W±± et Z et Z00 sont les médiateurs de la force sont les médiateurs de la force faible, qui joue un rôle notamment dans la fusion faible, qui joue un rôle notamment dans la fusion thermonucléaire et les processus radioactifs. Ils avaient thermonucléaire et les processus radioactifs. Ils avaient été prédits dans la théorie électrofaible de Glashow, été prédits dans la théorie électrofaible de Glashow, Weinberg et Salam.Weinberg et Salam.

En 1984, Carlo Rubbia et Simon van der Meer reçoivent En 1984, Carlo Rubbia et Simon van der Meer reçoivent le prix Nobel de physique pour cette découverte. Il s’agit le prix Nobel de physique pour cette découverte. Il s’agit alors des particules les plus massives jamais produites alors des particules les plus massives jamais produites et observées. De nombreuses innovations dans le et observées. De nombreuses innovations dans le domaine des accélérations et des détecteurs de domaine des accélérations et des détecteurs de particules l’ont accompagnée.particules l’ont accompagnée.

Les 3 forces fondamentales en Les 3 forces fondamentales en physique des particulesphysique des particules

ForceForce Electro-Electro-magnétiquemagnétique

FaibleFaible ForteForte

BosonBoson photonphoton WW±± et Z et Z00 gluonsgluons

PortéePortée ∞∞ 1010-18-18 m m ≤ ≤ 1010-15-15 m m

SourceSource Charge Charge électriqueélectrique

Charge Charge faiblefaible

CouleurCouleur

Dans la théorie des champs quantiques, les forces entre les fermions sont transmises via un échange de bosons, qui sont des quanta du champ de force.

Courte portée par des bosons Courte portée par des bosons massifsmassifs

Pendant les interactions, les bosons échangés sont Pendant les interactions, les bosons échangés sont virtuelsvirtuels, ils ne sont donc pas observables. Selon , ils ne sont donc pas observables. Selon Heisenberg on doit alors avoir (c = Heisenberg on doit alors avoir (c = ħ =1)ħ =1)::

Les vecteurs de la force faible ayant une masse différente de zéro, leur Les vecteurs de la force faible ayant une masse différente de zéro, leur temps de vie est limité, ainsi que la distance qu’ils peuvent parcourir. temps de vie est limité, ainsi que la distance qu’ils peuvent parcourir. D’où la portée finie de l’interaction faible.D’où la portée finie de l’interaction faible.

Les masses de ces bosons ont été prédites dans la théorie électrofaible Les masses de ces bosons ont été prédites dans la théorie électrofaible qui unifie les interactions électromagnétiques et faibles dans les années qui unifie les interactions électromagnétiques et faibles dans les années 60.60.

Exemple: la désintégration Exemple: la désintégration

Ce processus radioactif se déroule dans les noyaux riches Ce processus radioactif se déroule dans les noyaux riches en neutrons.en neutrons.

Le neutrino (indétectable) a été postulé par Fermi pour Le neutrino (indétectable) a été postulé par Fermi pour garantir la conservation d’énergie et d’impulsion. garantir la conservation d’énergie et d’impulsion.

Au niveau des quarksAu niveau des quarks

Ce qui se passe en fait est que Ce qui se passe en fait est que un quark down du neutron est un quark down du neutron est transformé en un quark up, avec transformé en un quark up, avec création d’une paire électron-création d’une paire électron-antineutrino pour conserver la antineutrino pour conserver la charge électrique.charge électrique.

‘‘Pendant’ l’échange, c’est le Pendant’ l’échange, c’est le boson W qui porte la charge (-1)boson W qui porte la charge (-1)

Production de WProduction de W±± et Z et Z00 réels réels

Les masses prévues sont environ de 100 GeV, ce qui Les masses prévues sont environ de 100 GeV, ce qui doit correspondre à l’énergie au centre de masse doit correspondre à l’énergie au centre de masse √s √s de de la collision quark-antiquark.la collision quark-antiquark.

A l’époque la seule solution pour atteindre l’énergie A l’époque la seule solution pour atteindre l’énergie nécessaire a été de prendre des protons et antiprotons.nécessaire a été de prendre des protons et antiprotons.

Les événements possibles sont alors:Les événements possibles sont alors:

ÉnergieÉnergieDans un proton de haute énergie, les trois quarks de valence ne Dans un proton de haute énergie, les trois quarks de valence ne portent pas toute l’impulsion, mais seulement la moitié. On a alorsportent pas toute l’impulsion, mais seulement la moitié. On a alors

Cette configuration défavorable oblige à fournir aux protons une énergie plus élevée:

En 1978, le projet est alors lancé de modifier le SPS, un accélérateur de protons de 450 GeV en construction pour qu’il accélère des protons et des antiprotons en même temps à une énergie suffisante.

Section efficace pour la production Section efficace pour la production de de WW±± et Z et Z00

ProblèmesProblèmes Il faut produire une densité importante Il faut produire une densité importante

d’antiprotons dans chaque ’’bunch’’ pour obtenir d’antiprotons dans chaque ’’bunch’’ pour obtenir une luminosité suffisanteune luminosité suffisante

L’effet du passage dans le même tube des deux L’effet du passage dans le même tube des deux faisceaux est largement inconnufaisceaux est largement inconnu

Technique du ’’stochastic cooling’’Technique du ’’stochastic cooling’’ On a pris le risque..On a pris le risque..

SolutionsSolutions

Production d’antiprotonsProduction d’antiprotons

Des protons sont envoyés sur une Des protons sont envoyés sur une cible fixe (Cuivre) et y produisent cible fixe (Cuivre) et y produisent des antiprotons. Ceux qui ont une des antiprotons. Ceux qui ont une énergie de 3.5 GeV sont alors énergie de 3.5 GeV sont alors acheminés vers le AA (Antiproton acheminés vers le AA (Antiproton Accumulator).Accumulator).

L’efficacité est très mauvaise, on L’efficacité est très mauvaise, on ne produit que 1 antiproton pour ne produit que 1 antiproton pour 101066 protons. protons.

Le refroidissement stochastiqueLe refroidissement stochastiqueOn peut minimiser les déviations de la On peut minimiser les déviations de la trajectoire (oscillations bétatron) si on trajectoire (oscillations bétatron) si on a affaire à une particule seule. Il suffit a affaire à une particule seule. Il suffit de mesurer son écart puis de le de mesurer son écart puis de le corriger par un ’’kick’’ dans la bonne corriger par un ’’kick’’ dans la bonne direction à un moment précis.direction à un moment précis.Pour un nombre important, le signal Pour un nombre important, le signal est une mesure de toutes les est une mesure de toutes les déviations, qui fluctue de manière déviations, qui fluctue de manière aléatoire. La détection doit être très aléatoire. La détection doit être très rapide pour ne pas être brouillée par rapide pour ne pas être brouillée par les particules suivantes. Celles-ci les particules suivantes. Celles-ci induisent un échauffement mais au induisent un échauffement mais au premier ordre la contribution se premier ordre la contribution se moyenne à zéro et seul le deuxième moyenne à zéro et seul le deuxième ordre (gainordre (gain22) contribue.) contribue.L’effet refroidissant est dominant à L’effet refroidissant est dominant à faible gain de l’ampli (réponse rapide), faible gain de l’ampli (réponse rapide), puisqu’il varie lui linéairement avec le puisqu’il varie lui linéairement avec le gain.gain.

Effets beam-beamEffets beam-beam

Le faisceau de protons est Le faisceau de protons est bien plus dense que celui bien plus dense que celui d’antiprotons et n’est que peu d’antiprotons et n’est que peu dérangé.dérangé.En revanche, le fait de passer En revanche, le fait de passer à travers un paquet de protons à travers un paquet de protons va fortement secouer les va fortement secouer les antiprotons, ce qui empêche antiprotons, ce qui empêche l’accélérateur de bien l’accélérateur de bien fonctionner.fonctionner.Des expériences sur un Des expériences sur un collisionneur électron-positron collisionneur électron-positron donnaient raison à croire que donnaient raison à croire que l’effet serait très fort. En effet l’effet serait très fort. En effet pour ces particules, le fort pour ces particules, le fort rayonnement synchrotron rayonnement synchrotron amortit l’effet.amortit l’effet.

Mais les protons, plus lourds, Mais les protons, plus lourds, n’en émettent pas et la n’en émettent pas et la déstabilisation n’est pas déstabilisation n’est pas amortie.amortie.D’un autre coté, cette absence D’un autre coté, cette absence sauve également l’affaire car il sauve également l’affaire car il n’y a pas de ’’randomization’’ n’y a pas de ’’randomization’’ entre chaque croisement entre chaque croisement comme le RS l’introduit et comme le RS l’introduit et donc les perturbations vont se donc les perturbations vont se dérouler de manière non-dérouler de manière non-aléatoire et si on n’a pas de aléatoire et si on n’a pas de résonance l’effet global est résonance l’effet global est zéro.zéro.

Le complexe d’accélérateursLe complexe d’accélérateurs

DétectionDétectionUne fois produits, les bosons se désintègrent de plusieurs Une fois produits, les bosons se désintègrent de plusieurs manières, principalement vers des canaux hadroniques (quarks), manières, principalement vers des canaux hadroniques (quarks), mais des événements de ce type arrivent aussi par simple collision. mais des événements de ce type arrivent aussi par simple collision. On est donc obligé de se limiter aux canaux leptoniques :On est donc obligé de se limiter aux canaux leptoniques :

Ceci réduit encore le nombre d’événements observables d’un Ceci réduit encore le nombre d’événements observables d’un facteur 10’000facteur 10’000

Impulsion transversaleImpulsion transversale

Lorsqu’une collision dure quark-antiquark Lorsqu’une collision dure quark-antiquark a lieu, le référentiel du centre de masse et a lieu, le référentiel du centre de masse et du laboratoire sont proches.du laboratoire sont proches.Dans une collision anodine, les particules Dans une collision anodine, les particules ont en général une impulsion transversale ont en général une impulsion transversale faible (<1 GeV). Des événements à forte faible (<1 GeV). Des événements à forte impulsion transversale surviennent lors de impulsion transversale surviennent lors de la désintégration d’une particule lourde, la désintégration d’une particule lourde, donc lors des événements intéressants.donc lors des événements intéressants.

Le détecteur UA1Le détecteur UA1 Plusieurs couches mesurent toutes Plusieurs couches mesurent toutes

les traces (sauf neutrinos), sur les traces (sauf neutrinos), sur presque la totalité de l’angle solide. presque la totalité de l’angle solide. On trouve, depuis l’intérieur: On trouve, depuis l’intérieur:

1.1. Un détecteur de traces pour Un détecteur de traces pour particules chargées, avec un champ particules chargées, avec un champ magnétique de 0.7 T.magnétique de 0.7 T.

2.2. Une couche de calorimètres Une couche de calorimètres électroniques pour les électrons et électroniques pour les électrons et photons qui s’y arrêtent.photons qui s’y arrêtent.

3.3. Des calorimètres hadroniques.Des calorimètres hadroniques.

4.4. Les muons sont les plus résistants Les muons sont les plus résistants et sont détectés dans une nouvelle et sont détectés dans une nouvelle couche de chambres à fils.couche de chambres à fils.

L’énergie manquanteL’énergie manquante

La construction La construction hermétique permet de hermétique permet de mesurer la totalité du flux mesurer la totalité du flux d’énergie dans les d’énergie dans les calorimètres.calorimètres.

L’idée est d’attribuer L’idée est d’attribuer l’énergie qui n’est pas l’énergie qui n’est pas détectée aux neutrinos, détectée aux neutrinos, signes de l’événement.signes de l’événement.

Sélection d’événementsSélection d’événements La luminosité intégrée a été de 136 nbLa luminosité intégrée a été de 136 nb-1-1 seulement. seulement. La première sélection isole les événements avec un La première sélection isole les événements avec un

électron avec pélectron avec ptt >7 GeV, seul. De plus l’énergie doit >7 GeV, seul. De plus l’énergie doit dépasser 15 GeV et à un angle >5°. Il reste alors 15000 dépasser 15 GeV et à un angle >5°. Il reste alors 15000 cas.cas.

La déposition dans les calorimètres hadroniques doit La déposition dans les calorimètres hadroniques doit être inférieure à 600 MeV, ce qui réduit l’échantillon à être inférieure à 600 MeV, ce qui réduit l’échantillon à 343.343.

Dans 291 cas, un jet est détecté dans la direction Dans 291 cas, un jet est détecté dans la direction opposée de l’électron (qui peut être un jet mal vu).opposée de l’électron (qui peut être un jet mal vu).

Il reste 52 candidats. Ceux qui ne sont pas assez Il reste 52 candidats. Ceux qui ne sont pas assez transversaux (>15°)sont écartés pour des questions de transversaux (>15°)sont écartés pour des questions de résolution.résolution.

Un événement retenuUn événement retenu

AnalyseAnalyse

L’énergie manquante provient d’un ou L’énergie manquante provient d’un ou plusieurs neutrinosplusieurs neutrinos

Un vecteur EUn vecteur Emm opposé à la trace d’un électron opposé à la trace d’un électron

indique la désintégration d’une particule lourde indique la désintégration d’une particule lourde et lente. En général ces événements sont et lente. En général ces événements sont conformes aux prédictions théoriques.conformes aux prédictions théoriques.

Cependant deux cas de figure sont possibles:Cependant deux cas de figure sont possibles:1.1. Un W crée un neutrino et un électronUn W crée un neutrino et un électron

2.2. Une interaction à 3 corps donne un électron et deux Une interaction à 3 corps donne un électron et deux neutrinosneutrinos

AnalyseAnalyse

Neutrino face à l’électronNeutrino face à l’électron Energie transversale Energie transversale

Détermination de la masseDétermination de la masse

Une dernière sélection Une dernière sélection des pdes ptt de l’électron et du de l’électron et du

neutrino à plus de 30 neutrino à plus de 30 GeV est opérée. Le pic GeV est opérée. Le pic ne correspond pas ne correspond pas exactement à la masse exactement à la masse du W.du W.

Après corrections, la Après corrections, la masse trouvée est:masse trouvée est:

Le ZLe Z00

La fréquence des La fréquence des désintégrations en paires désintégrations en paires électron-positron et muon-électron-positron et muon-antimuon est 10 fois plus faible antimuon est 10 fois plus faible que les désintégrations du W.que les désintégrations du W.On observe deux particules de On observe deux particules de haute énergie partant en des haute énergie partant en des sens opposés.sens opposés.La sélection suit un schéma La sélection suit un schéma similaire, pour un résultat de:similaire, pour un résultat de:

Résultats finauxRésultats finaux

BibliographieBibliographie C. Rubbia, C. Rubbia, Experimental Experimental

observation of the observation of the intermediate vector intermediate vector bosons bosons WW±± et Z et Z00, ,

discours tenu à la réception discours tenu à la réception du prix Nobel;du prix Nobel;

S. van der Meer,S. van der Meer, Stochastic cooling and the Stochastic cooling and the accumulation of accumulation of antiprotons;antiprotons;

Peter Watkins,Peter Watkins, Story of the W and Z;Story of the W and Z; Povh & Rith, Povh & Rith, Teilchen und Kerne.Teilchen und Kerne.