Grawiton
Według przewidywań, hipotetyczna cząstka grawiton (G) jest nośnikiem grawitacji, w podobny sposób jak siły elektromagnetyczne, słabe i silne działają poprzez wymianę bozonów cechowania, odpowiednio: fotonów, słabych bozonów W i Z i gluonów.
Niektóre nowe teorie fizyki cząstek elementarnych poza Modelem Standardowym, oparte na dodatkowych wymiarach przestrzennych, przewidują istnienie wzbudzeń grawitonu. Można się spodziewać, że takie ciężkie rezonanse - jeśli istnieją - mogą być wyprodukowane w LHC i pojawić się jako masa inwariantna produktów rozpadu. Ponieważ grawiton jest związany z energią-pędem (a nie masą, jak w teorii Newtona!), może się rozpadać na pary leptonów, kwarków i bozonów, w tym także pary fotonów i gluonów, chociaż foton i gluon są bezmasowe.
Szczególnie interesujące w Ćwiczeniu Z są rozpady grawitonu na stany końcowe z parą leptonów, parą fotonów i 4 leptonami (ZZ), które były używane, aby znaleźć bozon Z, odkryć bozon Higgsa i poszukiwać hipotetycznego bozonu Z'.
Jak pamiętamy, identyfikacja bozonów Z i Z' jest podobna, chociaż mają one bardzo różne masy; obydwa bozony rozpadają się na pary leptonów i żaden z nich nie rozpada się na parę fotonów. Bozon Higgsa rozpada się na parę fotonów lub na dwa bozony Z (4 leptony); obserwuje się jego rozpad na parę ciężkich leptonów (tau), ale rozpad na parę elektronów lub parę mionów jest silnie tłumiony, ponieważ te leptony mają bardzo małe masy, a Higgs związany jest z masą, w przeciwieństwie do grawitonu!
Stop, to staje się coraz bardziej mylące. Masa inwariantna mówi, że zidentyfikowaliśmy znane cząstki albo odkryliśmy nowe, ale skąd mamy wiedzieć, co odkryliśmy?
W tym miejscu musimy się odwołać nie tylko do ładunku i masy, ale także do innej podstawowej własności cząstek, o której może już słyszeliście i którą mogliście wykorzystywać - spin.
Foton, bozon Z i bozon Z' mają spin 1, Higgs ma spin 0, a grawiton ma spin 2. Jeśli niepokoi was, dlaczego grawiton ma spin 2, a foton spin 1, pomyślcie o różnicy między tymi dwoma siłami. Grawitacja, w przeciwieństwie do elektromagnetyzmu, jest oddziaływaniem jedynie przyciągającym.
Teoria spinu (oraz innych własności, których jeszcze nie poznaliśmy) jest częścią mechaniki kwantowej. Rozpady cząstek spełniają pewne prawa zachowania, takie jak prawo zachowania ładunku elektrycznego, energii i pędu. Prawo zachowania momentu obrotowego i spinu narzuca dodatkowe ograniczenia na dopuszczalne rozpady cząstek. Bozon Higgsa może się rozpadać na 2 cząstki o spinie 1 lub 2 cząstki o spinie 1/2 (pamiętajcie, że rozpady Higgsa na pary elektronów lub mionów nie są obserwowane, ponieważ masy tych leptonów są bardzo małe). Bozony Z i Z' mogą się rozpadać na 2 cząstki o spinie 1/2, ale nie na 2 cząstki o spinie 1. Grawiton może sie rozpadać na 2 cząstki o spinie 1/2 lub 2 cząstki o spinie 1.