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La découverte des bosons W ± et Z 0 au CERN. Introduction Les bosons W ± et Z 0 sont les médiateurs de la force faible, qui joue un rôle notamment dans.

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1 La découverte des bosons W ± et Z 0 au CERN

2 Introduction Les bosons W ± et Z 0 sont les médiateurs de la force faible, qui joue un rôle notamment dans la fusion thermonucléaire et les processus radioactifs. Ils avaient été prédits dans la théorie électrofaible de Glashow, Weinberg et Salam. En 1984, Carlo Rubbia et Simon van der Meer reçoivent le prix Nobel de physique pour cette découverte. Il sagit alors des particules les plus massives jamais produites et observées. De nombreuses innovations dans le domaine des accélérations et des détecteurs de particules lont accompagnée.

3 Les 3 forces fondamentales en physique des particules Force Electro- magnétique FaibleForte Bosonphoton W ± et Z 0 gluons Portée m m m Source Charge électrique Charge faible Couleur 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.

4 Courte portée par des bosons massifs Pendant les interactions, les bosons échangés sont virtuels, ils ne sont donc pas observables. Selon Heisenberg on doit alors avoir (c = ħ =1): Les vecteurs de la force faible ayant une masse différente de zéro, leur temps de vie est limité, ainsi que la distance quils peuvent parcourir. Doù la portée finie de linteraction faible. Les masses de ces bosons ont été prédites dans la théorie électrofaible qui unifie les interactions électromagnétiques et faibles dans les années 60.

5 Exemple: la désintégration Exemple: la désintégration Ce processus radioactif se déroule dans les noyaux riches en neutrons. Le neutrino (indétectable) a été postulé par Fermi pour garantir la conservation dénergie et dimpulsion.

6 Au niveau des quarks Ce qui se passe en fait est que un quark down du neutron est transformé en un quark up, avec création dune paire électron- antineutrino pour conserver la charge électrique. Pendant léchange, cest le boson W qui porte la charge (-1)

7 Production de W ± et Z 0 réels Les masses prévues sont environ de 100 GeV, ce qui doit correspondre à lénergie au centre de masse s de la collision quark-antiquark. A lépoque la seule solution pour atteindre lénergie nécessaire a été de prendre des protons et antiprotons. Les événements possibles sont alors:

8 Énergie Dans un proton de haute énergie, les trois quarks de valence ne portent pas toute limpulsion, 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 quil accélère des protons et des antiprotons en même temps à une énergie suffisante.

9 Section efficace pour la production de W ± et Z 0

10 Problèmes Il faut produire une densité importante dantiprotons dans chaque bunch pour obtenir une luminosité suffisante Il faut produire une densité importante dantiprotons dans chaque bunch pour obtenir une luminosité suffisante Leffet du passage dans le même tube des deux faisceaux est largement inconnu Leffet du passage dans le même tube des deux faisceaux est largement inconnu Technique du stochastic cooling Technique du stochastic cooling On a pris le risque.. On a pris le risque.. Solutions

11 Production dantiprotons Des protons sont envoyés sur une cible fixe (Cuivre) et y produisent des antiprotons. Ceux qui ont une énergie de 3.5 GeV sont alors acheminés vers le AA (Antiproton Accumulator). Lefficacité est très mauvaise, on ne produit que 1 antiproton pour 10 6 protons.

12 Le refroidissement stochastique On peut minimiser les déviations de la trajectoire (oscillations bétatron) si on a affaire à une particule seule. Il suffit de mesurer son écart puis de le corriger par un kick dans la bonne direction à un moment précis. Pour un nombre important, le signal est une mesure de toutes les déviations, qui fluctue de manière aléatoire. La détection doit être très rapide pour ne pas être brouillée par les particules suivantes. Celles-ci induisent un échauffement mais au premier ordre la contribution se moyenne à zéro et seul le deuxième ordre (gain 2 ) contribue. Leffet refroidissant est dominant à faible gain de lampli (réponse rapide), puisquil varie lui linéairement avec le gain.

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14 Effets beam-beam Le faisceau de protons est bien plus dense que celui dantiprotons et nest que peu dérangé. En revanche, le fait de passer à travers un paquet de protons va fortement secouer les antiprotons, ce qui empêche laccélérateur de bien fonctionner. Des expériences sur un collisionneur électron-positron donnaient raison à croire que leffet serait très fort. En effet pour ces particules, le fort rayonnement synchrotron amortit leffet. Mais les protons, plus lourds, nen émettent pas et la déstabilisation nest pas amortie. Dun autre coté, cette absence sauve également laffaire car il ny a pas de randomization entre chaque croisement comme le RS lintroduit et donc les perturbations vont se dérouler de manière non- aléatoire et si on na pas de résonance leffet global est zéro.

15 Le complexe daccélérateurs

16 Détection Une fois produits, les bosons se désintègrent de plusieurs manières, principalement vers des canaux hadroniques (quarks), mais des événements de ce type arrivent aussi par simple collision. On est donc obligé de se limiter aux canaux leptoniques : Ceci réduit encore le nombre dévénements observables dun facteur 10000

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

18 Le détecteur UA1 Plusieurs couches mesurent toutes les traces (sauf neutrinos), sur presque la totalité de langle solide. On trouve, depuis lintérieur: Plusieurs couches mesurent toutes les traces (sauf neutrinos), sur presque la totalité de langle solide. On trouve, depuis lintérieur: 1. Un détecteur de traces pour particules chargées, avec un champ magnétique de 0.7 T. 2. Une couche de calorimètres électroniques pour les électrons et photons qui sy arrêtent. 3. Des calorimètres hadroniques. 4. Les muons sont les plus résistants et sont détectés dans une nouvelle couche de chambres à fils.

19 Lénergie manquante La construction hermétique permet de mesurer la totalité du flux dénergie dans les calorimètres. Lidée est dattribuer lénergie qui nest pas détectée aux neutrinos, signes de lévénement.

20 Sélection dévénements La luminosité intégrée a été de 136 nb -1 seulement. La luminosité intégrée a été de 136 nb -1 seulement. La première sélection isole les événements avec un électron avec p t >7 GeV, seul. De plus lénergie doit dépasser 15 GeV et à un angle >5°. Il reste alors cas. La première sélection isole les événements avec un électron avec p t >7 GeV, seul. De plus lénergie doit dépasser 15 GeV et à un angle >5°. Il reste alors cas. La déposition dans les calorimètres hadroniques doit être inférieure à 600 MeV, ce qui réduit léchantillon à 343. La déposition dans les calorimètres hadroniques doit être inférieure à 600 MeV, ce qui réduit léchantillon à 343. Dans 291 cas, un jet est détecté dans la direction opposée de lélectron (qui peut être un jet mal vu). Dans 291 cas, un jet est détecté dans la direction opposée de lélectron (qui peut être un jet mal vu). Il reste 52 candidats. Ceux qui ne sont pas assez transversaux (>15°)sont écartés pour des questions de résolution. Il reste 52 candidats. Ceux qui ne sont pas assez transversaux (>15°)sont écartés pour des questions de résolution.

21 Un événement retenu

22 Analyse Lénergie manquante provient dun ou plusieurs neutrinos Lénergie manquante provient dun ou plusieurs neutrinos Un vecteur E m opposé à la trace dun électron indique la désintégration dune particule lourde et lente. En général ces événements sont conformes aux prédictions théoriques. Un vecteur E m opposé à la trace dun électron indique la désintégration dune particule lourde et lente. En général ces événements sont conformes aux prédictions théoriques. Cependant deux cas de figure sont possibles: Cependant deux cas de figure sont possibles: 1. Un W crée un neutrino et un électron 2. Une interaction à 3 corps donne un électron et deux neutrinos

23 Analyse Neutrino face à lélectron Energie transversale Neutrino face à lélectron Energie transversale

24 Détermination de la masse Une dernière sélection des p t de lélectron et du neutrino à plus de 30 GeV est opérée. Le pic ne correspond pas exactement à la masse du W. Après corrections, la masse trouvée est:

25 Le Z 0 La fréquence des désintégrations en paires électron-positron et muon- antimuon est 10 fois plus faible que les désintégrations du W. On observe deux particules de haute énergie partant en des sens opposés. La sélection suit un schéma similaire, pour un résultat de:

26 Résultats finaux

27 Bibliographie C. Rubbia, Experimental observation of the intermediate vector bosons W ± et Z 0, discours tenu à la réception du prix Nobel; C. Rubbia, Experimental observation of the intermediate vector bosons W ± et Z 0, discours tenu à la réception du prix Nobel; S. van der Meer,Stochastic cooling and the accumulation of antiprotons; S. van der Meer,Stochastic cooling and the accumulation of antiprotons; Peter Watkins,Story of the W and Z; Peter Watkins,Story of the W and Z; Povh & Rith, Teilchen und Kerne. Povh & Rith, Teilchen und Kerne.


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