Graviton
On s'attend à ce qu'une particule d'interaction hypothétique, le graviton (G), soit le médiateur de la gravité, tout comme les interactions électromagnétique, faible et forte se manifestent par l'échange de bosons de jauge : respectivement le photon, les bosons faibles W et Z et les gluons.
Certains scénarios de nouvelle physique au-delà du MS, basés sur des dimensions supplémentaires d'espace, prédisent l'existence d'excitations du graviton. Si elles existent, ces résonances lourdes devraient être produites au LHC et apparaître dans les histogrammes en masse invariante de produits des collisions. Puisque le graviton se couple à l'énergie-impulsion (et non à la masse comme suggéré par la théorie de Newton !), il se désintègrerait en paires de leptons, de quarks et de bosons -- paires de photons et paires de gluons incluses bien que ces particules soient sans masse.
Pour le parcours Z, les désintégrations les plus intéressantes du graviton sont celles où les états finals sont 2 leptons, 2 photons et 4 leptons, des configurations utilisées pour mesurer les propriétés du boson Z, découvrir le boson de Higgs et chercher un hypothétique boson de jauge Z'.
Rappelons que les méthodes d'identification des bosons Z et Z' sont similaires bien que ces deux particules aient des masses très différentes ; toutes deux se désintègrent en paires de leptons et pas en paires de photons. Le boson de Higgs se désintègre lui en deux photons ou en une paire de deux bosons Z (soit quatre leptons dans l'état final) ; alors qu'on observe sa désintégration dans une paire de leptons lourds (des taus), les désintégrations du boson H dans les états finals deux électrons ou deux muons sont très fortement supprimées car ces leptons ont des masses très faibles et que le Higgs se couple aux masses, contrairement au graviton.
Attendez, je suis perdu. L'histogramme en masse invarante me dit que j'ai identifié des particules connues ou découvert de nouvelles particules, mais comment puis-je savoir ce que j'ai observé ?
C'est ici que nous devons nous appuyer sur une propriété intrinsèque supplémentaire des particules (en plus de la charge électrique et de la masse) dont vous avez peut-être entendu parler, ou que vous avez déjà utilisé : le spin.
Le photon et les bosons Z et Z' ont un spin 1, le boson de Higgs a un spin 0 et le graviton un spin 2. Si vous vous demandez pourquoi le graviton a un spin 2 alors que le photon a un spin 1, pensez à la différence entre ces deux interactions. Contrairement à l'électromagnétisme, la gravité est seulement additive.
La théorie du spin est régie par la Mécanique Quantique, tout comme d'autres propriétés des particules que nous n'avons pas encore rencontrées. Les désintégrations de particules satisfont certaines lois de conservation, notamment celles de la charge électrique, de l'énergie et de l'impulsion. Les conservations du moment angulaire et du spin s'ajoutent aux lois précédentes et imposent des contraintes sur les désintégrations permises. Le boson de Higgs peut se désintégrer en deux particules de spin 1 ou de spin 1/2 (souvenez-vous que les désintégrations du boson de Higgs en paires d'électrons ou de muons ne sont pas observées parce que les masses de ces particules sont minuscules). Les bosons Z et Z' peuvent se désintégrer en deux particules de spin 1/2, mais pas en deux particules de spin 1. Le graviton peut se désintégrer en deux particules de spin 1/2 ou de spin 1.