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Approfondissons nos connaissances sur le boson Z

Les particules médiatrices de l'interaction faible sont au nombre de trois : les bosons chargés W+ et W- et le boson Z0 neutre. Voyons d’un peu plus près comment le boson Z se désintègre une fois produit.

Désintégration des bosons Z

Comme le Z est neutre électriquement, la somme des charges de ses produits de désintégration doit être 0. Ce résultat vient du fait que la charge électrique est conservée dans la nature.

Le Z ne peut donc se désintégrer qu’en des paires formées d’une particule et son antiparticule. Tenant compte de certaines règles de conservation additionnelles, les probabilités de désintégration dans les différents modes, dont la somme est bien évidemment de 100%, sont les suivantes :

  1. Dans 10% des désintégrations du Z, des paires lepton-antilepton chargées sont produites. Les trois paires possibles sont électron-positron, muon-antimuon et tau-antitau. Chaque choix est approximativement équiprobable.

    • Ceci donne donc 3 modes de désintégrations possibles
  2. Dans 20% des cas, le boson Z se désintègre en une paire neutrino antineutrino. Le détecteur ATLAS n’est pas capable de détecter des neutrinos car ces particules n’interagissent presque avec rien (ils n’ont pas de charge électrique). Pour nous elles sont donc invisibles et la seule manière de les « voir » consiste à observer un défaut d’impulsion ou d’énergie transverse dans les produits visibles de la collision (en effet, l’impulsion transverse et l’énergie transverse sont conservées lors de la collision).

    • Ceci nous donne 3 autres modes de désintégrations supplémentaires (un par type de neutrino)
  3. Dans 70% des désintégrations du Z une paire quark-antiquark est produite. Ces particules donnent des gerbes de particules – les « jets » – dans le détecteur.
  4. Il faut ici savoir que les quarks possèdent une propriété nommée couleur, et qu’un quark peut exister sous 3 couleurs différentes.

    • Si nous ajoutons les 6 types de quark et considérons que chacun d’entre eux peut prendre 3 couleurs, nous arrivons à 3 ´ 6 = 18 modes possibles.

Tout ceci nous donne donc au final 24 modes de désintégration possibles, mais seulement 21 sont visibles dans le détecteur. Parmi tous les modes de désintégration possible nous allons seulement étudier ceux dans lesquels le boson Z donne une paire électron-positron ou muon-antimuon.

Les physiciens utilisent des diagrammes dits de Feynman pour visualiser la production et la désintégration des particules. Suivez ce lien pour en apprendre un peu plus sur les diagrammes de Feynman et voir ceux qui représentent la désintégration du Z en une paire électron-positron ou muon-antimuon.

Mesure du boson Z

Le boson Z a été étudié de façon extrêmement précise au LEP (pour "Large Electron-Positron Collider", en français "grand collisionneur électron-positron"), un accélérateur qui a fonctionné au CERN entre 1989 et 2000 dans le tunnel qui abrite maintenant le LHC. Le LEP était d'ailleurs surnommé l'usine à Z ! Le boson Z est une pièce indispensable du puzzle que constitue notre théorie des particules élémentaires et de leurs interactions. Les bosons Z et W sont les particules médiatrices de tout phénomène relevant de l'interaction faible. Pour reproduire la réalité, la théorie décrivant les interactions faibles impose des contraintes fortes sur les propriétés du boson Z (et des bosons W). Un des grands succès des expériences du LEP fut la mesure précise de tous les canaux de désintégration observables du Z (en leptons et en hadrons chargés), résultat qui a ensuite servi à obtenir des informations sur la désintégration "invisible" du Z en une paire neutrino-antineutrino. Ces dernières nous ont montré que, aux énergies explorées par les expériences actuelles, il y a exactement 3 types de neutrinos et, par conséquent, 3 familles de leptons et quarks.

Ce résultat est en accord avec toutes les observations faites à ce jour, ce qui lui confère une grande valeur puisqu'il place le boson Z dans la théorie et dans la Nature exactement là ou il se doit d'être pour que notre monde soit tel qu'il est.

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