La découverte des bosons W± et Z0 au CERN

Introduction Les bosons W± et Z0 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 s’agit alors des particules les plus massives jamais produites et observées. De nombreuses innovations dans le domaine des accélérations et des détecteurs de particules l’ont accompagnée.

Les 3 forces fondamentales en physique des particules Electro-magnétique Faible Forte Boson photon W± et Z0 gluons Portée ∞ 10-18 m ≤ 10-15 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.

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 qu’ils peuvent parcourir. D’où la portée finie de l’interaction faible. Les masses de ces bosons ont été prédites dans la théorie électrofaible qui unifie les interactions électromagnétiques et faibles dans les années 60.

Exemple: la désintégration b- Ce processus radioactif se déroule dans les noyaux riches en neutrons. Le neutrino (indétectable) a été postulé par Fermi pour garantir la conservation d’énergie et d’impulsion.

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 d’une paire électron-antineutrino pour conserver la charge électrique. ‘Pendant’ l’échange, c’est le boson W qui porte la charge (-1)

Production de W± et Z0 réels Les masses prévues sont environ de 100 GeV, ce qui doit correspondre à l’énergie au centre de masse √s de la collision quark-antiquark. A l’époque la seule solution pour atteindre l’énergie nécessaire a été de prendre des protons et antiprotons. Les événements possibles sont alors:

Énergie Dans un proton de haute énergie, les trois quarks de valence ne portent 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 de W± et Z0

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

Production d’antiprotons 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). L’efficacité est très mauvaise, on ne produit que 1 antiproton pour 106 protons.

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 (gain2) contribue. L’effet refroidissant est dominant à faible gain de l’ampli (réponse rapide), puisqu’il varie lui linéairement avec le gain.

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

Le complexe d’accélérateurs

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 d’événements observables d’un facteur 10’000

Impulsion transversale Lorsqu’une 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 d’une particule lourde, donc lors des événements intéressants.

Le détecteur UA1 Plusieurs couches mesurent toutes les traces (sauf neutrinos), sur presque la totalité de l’angle solide. On trouve, depuis l’intérieur: Un détecteur de traces pour particules chargées, avec un champ magnétique de 0.7 T. Une couche de calorimètres électroniques pour les électrons et photons qui s’y arrêtent. Des calorimètres hadroniques. Les muons sont les plus résistants et sont détectés dans une nouvelle couche de chambres à fils.

L’énergie manquante La construction hermétique permet de mesurer la totalité du flux d’énergie dans les calorimètres. L’idée est d’attribuer l’énergie qui n’est pas détectée aux neutrinos, signes de l’événement.

Sélection d’événements La luminosité intégrée a été de 136 nb-1 seulement. La première sélection isole les événements avec un électron avec pt >7 GeV, seul. De plus l’énergie doit dépasser 15 GeV et à un angle >5°. Il reste alors 15000 cas. La déposition dans les calorimètres hadroniques doit être inférieure à 600 MeV, ce qui réduit l’échantillon à 343. Dans 291 cas, un jet est détecté dans la direction opposée de l’électron (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.

Un événement retenu

Analyse L’énergie manquante provient d’un ou plusieurs neutrinos Un vecteur Em opposé à la trace d’un électron indique la désintégration d’une particule lourde et lente. En général ces événements sont conformes aux prédictions théoriques. Cependant deux cas de figure sont possibles: Un W crée un neutrino et un électron Une interaction à 3 corps donne un électron et deux neutrinos

Analyse Neutrino face à l’électron Energie transversale

Détermination de la masse Une dernière sélection des pt de l’électron 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:

Le Z0 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:

Résultats finaux

Bibliographie C. Rubbia, Experimental observation of the intermediate vector bosons W± et Z0, discours tenu à la réception du prix Nobel; S. van der Meer, Stochastic cooling and the accumulation of antiprotons; Peter Watkins, Story of the W and Z; Povh & Rith, Teilchen und Kerne.