Le Boson de Higgs –  interaction top bottom et diagrammes de Feynman

La lecture d’articles sur internet ainsi que du livre « Passeport pour les deux infinis » m’ont guidée dans la réalisation de cette toile.

J’ouvre le livre « Passeport pour les deux infinis » pages 48 et 49 où figure une image symbolisant la production de quarks top. Une ligne horizontale traverse l’œuvre où les protons et anti protons en billes rouges poussés par de petits triangles jaunes s’annihilent au centre de la toile dans un éclatement orange, et se désintègrent en une paire de quarks top et anti top en deux grosses boules jaunes notées t et anti t (surmonté d’une barre horizontale).

Passeport pour les deux infinis : Avec la découverte du cinquième quark, le quark b en 1977 par l’expérience E288 à Fermilab, les arguments théoriques pour l’existence d’un sixième quark devenaient très convaincants. On savait seulement que le quark top était plus lourd que le quark b. La masse du quark b est environ cinq fois celle du proton, soit près de 4,5 GeV/c2. L’interprétation théorique des mesures de précision du LEP (collisionneur électron-positron en service de 1989 à 2000 au CERN) ont permis de prédire que le top avait une masse entre 145 et 185 GeV/c2.

« Le quark top reste un mystère, mais plus que pour une journée » titre un article du New York Times le 1er mars 1995, à la veille de l’annonce de la découverte du quark top à Fermilab aux Etats Unis par les deux expériences CDF et DO.

En partant du centre de l’œuvre les jets en diagonales ou en lignes courbes représentent les désintégrations en quarks b et anti b : les quarks b en boules jaunes apparaissent au bout des lignes et courbes vertes dans la partie supérieure de l’œuvre, alors que les anti b apparaissent au bout des lignes et courbes jaunes en boules orangé dans la partie inférieure de l’œuvre. La désintégration du boson Z en boules grises, apparaît également au bout des lignes et courbes rouges à droite ainsi que de la courbe bleue en haut à gauche.

Revenons au centre de l’œuvre avec la production des deux quarks top et anti top à partir d’un état initial de gluons.

Top-Quark Phenomenology : je m’inspire des schémas figurant à la page 18 et représentant la production de quarks top à partir d’un état initial quark anti quark, et d’un état initial de gluons.
The Standard Model of Particle Physics : je m’inspire à la page 20 de la figure 1.9 : Tree-level, contributions to tt production at the Tevatron.

Sur l’œuvre en partant du centre et dans le deuxième cercle délimité par la bordure bleue apparaît la production du quark top et de l’anti top d’après la figure 1.9 « The standard model of particle physics » en bas juste sous l’anti top central en jaune : à partir de deux quarks notés q, sont produits des gluons « g » en lignes ondulatoires rouges-jaunes-vertes, qui aboutissent à la production d’un quark top ou t en jaune et d’un anti quark top en orange. En remontant à gauche apparaît le schéma (c) ou « gluon splitting ». Les gluons représentés par cinq lignes ondulatoires jaunes vertes rouges conduisent à la production du quark top en jaune et de l’anti top en orange. Au dessus du quark top central, les gluons notés « g » en trois lignes ondulatoires produisent un quark top et un anti top. En redescendant à droite deux gluons produisent un quark top et un anti top.

Nous allons découvrir d’autres désintégrations toujours en partant du centre et à l’intérieur du troisième cercle délimité par la bordure bleue : nous commençons en bas et au milieu de ce troisième cercle où un quark noté q et un anti quark (en orange) se désintègrent en un quark top et un anti top en orange, qui ensuite se désintègrent au delà de la troisième bordure bleue, en un quark anti b en orange un quark et un anti quark, ainsi qu’en un quark b un anti quark et un quark.

En remontant à gauche à partir de deux gluons (en jaune et en rouge) sont produits un quark top et un anti top (orange) ainsi qu’un Boson de Higgs noté H en rose avec une droite en tirés roses, d’après un schéma de l’article « Interplay of Top Quark and Higgs Boson, Measurements at the Tevatron and LHC » : voyons donc ce schéma : le Boson de Higgs en rose interagit avec un quark b et un anti b en orange (le schéma dans le troisième cercle, continue au delà de la bordure bleu roi dans le quatrième cercle). D’après la figure 1 « Feynman diagrams of Dilepton ttH channels » : sous le Boson de Higgs en rose, le quark anti top en orange se désintègre en anti b (dans le quatrième cercle) et va interagir avec un boson W- qui va produire un lepton (l-) et un anti neutrino (ve).
En haut même schéma à partir de deux gluons, apparaît le Boson de Higgs noté H en rose, à gauche un quark top se désintègre en quark b, ainsi qu’en quark et anti quark par l’intermédiaire d’un boson W+ ; puis à droite du Boson de Higgs un quark anti top en orange se désintègre en anti b ainsi qu’en un lepton et anti neutrino. Entre les deux le Boson de Higgs interagit avec un quark b et un anti b. En redescendant à droite apparaît le même schéma toujours dans les troisième et quatrième cercles, au bord du large cercle rouge.

Top Quark Phenomenology : p 18 schémas Figure 3.1. : la production de paires de quarks top est caractérisée par une forte interaction. L’état initial permet pour les quarks-anti-quarks l’annihilation ainsi que la fusion gluon-gluon.

En bas du quatrième cercle et en remontant à gauche la production de trois gluons (jaune vert rouge) notés g conduit à une paire de quarks top et anti top. Nous « enjambons » le diagramme de Feynman avec le Boson de Higgs, et plus haut à gauche le schéma (d) à partir de deux quarks en rouge et deux trois gluons (rouge jaune vert) produit un quark top et un anti top, d’après un schéma sur internet : « the standard model of particle physics » p 20. A gauche en haut au dessus du schéma (d), un autre schéma avec cinq gluons (jaune vert rouge bleu) indique la contribution à la production de quarks top (boule jaune) et anti top (boule orange) ainsi qu’à la contribution de quatre gluons (deux rouges, un jaune, un vert). Tout en haut nous « enjambons » à nouveau le diagramme de Feynman avec le Boson de Higgs, et nous voici à nouveau à droite dans le quatrième cercle : à partir d’un état initial quark anti quark (boules jaune et orange) ainsi que d’un gluon (en jaune) sont produits un quark top et un anti top d’après un schéma p 18 de Top Quark Phenomenology. Nous redescendons à droite où un deuxième schéma (toujours d’après le schéma figure 3.1 p 18) indique la production d’un quark top (en jaune) et d’un anti top (en orange). Juste en dessous et toujours inspiré de la figure 3.1 p 18 c’est un état initial de quatre gluons (entrecroisés en jaune rouge vert bleu) qui produit un quark top et un quark anti top. Toujours en redescendant à droite on retrouve un schéma avec un état initial de quark et anti quark (en rouge) et un gluon (en vert) qui contribue à la production d’un quark top et d’un quark anti top. Nous « enjambons » en bas à droite le diagramme de Feynman avec le Boson de Higgs en rose et nous retrouvons juste dessous la production de quarks top et anti top à partir de quatre gluons entrecroisés (en jaune et en rouge). En bas à droite un schéma avec l’état initial de deux gluons (en rouge et en vert) représente la production d’un quark top (en jaune) et d’un anti top (en orange). Nous terminons ainsi la boucle dans le quatrième cercle et pénétrons dans la large bande rouge en forme circulaire.

Bande rouge circulaire :
Top-Quark Phenomenology p 20 : Single Top-Quark Production : nous sommes p 20 où je m’inspire de la Figure 3.3 avec diagrammes de Feynman ainsi que p 24 à la table 3.1 : je découvre le BR (branching ratios) de tous les états finaux possible de quark top et anti top, mesurés par la désintégration de deux bosons W. Tout en bas dans la bande rouge figure un schéma de BR d’un boson W- qui se désintègre en un électron (e-) et un anti neutrino (ve) en petites billes bleu marine. Toujours en bas dans la bande rouge nous partons à gauche : apparaît un shéma inspiré de la figure 3.3 p 20 et appelé tW- channel : dans tW- channel est produit un seul quark top en association avec un boson W en gris. La désintégration donne un quark b (en jaune) et un gluon (en vert).

En remontant en bas à gauche figure un deuxième shéma (toujours d’après la figure 3.3 p 20) de tW- channel : on note la production d’un quark top en association avec un boson W en gris et la production d’un quark b avec un gluon.

Nous remontons à gauche dans la bande rouge où figurent deux schémas de BR d’états finaux caractérisés par la désintégration de Bosons W- : un boson W- se désintègre en un lepton tau (noté en lettre grecque) en grosse boule bleue et un anti neutrino tauique en petite bille bleue. Au dessus un autre boson W- en gris se désintègre en un muon (noté en lettre grecque) et représenté en boule bleue, ainsi qu’en un anti neutrino muonique en petite bille bleue. Nous remontons dans la bande rouge à gauche vers le haut où apparaissent deux schémas de BR d’états finaux caractérisés par la désintégration de bosons W+ : un boson W+ en gris se désintègre en un quark charmé en orange et en un anti quark strange en bleu marine. Au dessus un deuxième boson W+ se désintègre en un quark u en jaune et en un quark anti d en vert. Nous arrivons en haut à gauche à S-channel d’après le schéma p 20 de Top-Quark Phenomenology. Dans le canal S (S-channel) : à partir de l’état initial d’un quark et d’un anti quark en petites boules vertes, un seul quark top en jaune est produit par la fusion d’un quark b et d’un boson virtuel W en jaune.

Top-Quark Phenomenology p 20 :
T-channel : ce canal est le principal mode de production pour un seul quark top au LHC avec une énergie de 8TeV.
En haut à gauche dans la bande rouge découvrons ce canal t ou t-channel : un anti quark top en orange est créé par la fusion d’un quark b en jaune et d’un boson virtuel W en ligne ondulatoire jaune : idem pour le deuxième schéma noté également t-channel tout en haut, avec un quark top en jaune un anti quark b en orange et un boson virtuel W. Tout en haut au milieu nous retrouvons le canal S-channel : à partir de deux quarks en vert, le boson W en ligne ondulatoire crée soit un quark top et un anti b, soit un quark anti top et un quark b . Tout dépend de la charge du boson W qui est déterminée par la charge de l’état initial des quarks.

Top-Quark Phenomenology p 24 :
En redescendant à droite dans la bande rouge et selon les informations de la Table 3.1 p 24, nous découvrons le BR d’états finaux caractérisés par la désintégration de boson W-. Le premier boson W- se désintègre en un quark strange (bleu marine) et en un anti quark charmé (orange). Toujours en redescendant sur la droite, nous retrouvons le canal t-channel à partir d’un état initial de deux quarks en vert, le quark top est produit en association avec un anti quark b et un boson W. Nous continuons à descendre à droite où nous retrouvons le canal S-channel où un quark top est produit. Plus bas un BR d’état final apparaît avec désintégration d’un boson W- en un électron (e-) et un anti neutrino (ve) en petites billes bleues. Nous arrivons en bas à droite dans la bande rouge avec le canal t-channel : un quark top en jaune est produit avec un anti quark b en orange et un boson W.

En bas à droite dans la bande circulaire rouge nous arrivons aux schémas représentés avec le canal tW-channel : un quark top est produit en association avec le boson W le quark b et le gluon. Nous terminons la bande circulaire rouge tout en bas avec un BR de désintégration du boson W+ (en gris) en un quark charmé (orange) et un anti quark strange (bleu marine).

Nous poursuivons tout en bas à gauche dans la partie bleu sombre au bord de la toile. Les schémas ont été trouvés sur internet à : « Higgs Decays to Unknown Spin-zero Particles : Branching for Specific Final States of h : aa Decays. » Le Boson de Higgs en boule rose notée h se désintègre en un état noté « aa » qui produit quatre photons notés « y »en billes jaunes. Un deuxième Boson de Higgs en rose se désintègre en quatre leptons : un muon et un anti muon en boules bleues ainsi qu’en leptons tau et anti tau en grosses boules bleues.

« Le Boson et le chapeau mexicain » : p 327 je m’inspire du schéma symbolisant le Boson de Higgs noté ici H° en rose, qui par l’intermédiaire d’une boucle W- (cercle en ligne ondulatoire jaune entourant une boule rouge) produit deux photons en jaune au bout des lignes ondulatoires jaunes. Nous remontons au bord de l’œuvre en bas à gauche toujours d’après les schémas p 327 : un Boson de Higgs en rose se désintègre par l’intermédiaire d’une boucle en forme de triangle de W+W- et donne deux photons « y ». Toujours à gauche en remontant au bord de l’œuvre Le Boson de Higgs en rose produit deux photons et deux gluons (vert et bleu) par la désintégration « aa ». Juste au dessus Le Boson de Higgs en rose, produit par la désintégration « aa » quatre gluons en rouge bleu vert.

« Branching for Specific Final State » : en remontant à gauche Le Boson de Higgs par la désintégration « aa » produit un muon et un anti muon (boules bleues) ainsi qu’un quark b et un anti b (boules jaune et orange).

Nous remontons à gauche et j’ouvre à nouveau le livre « Le Boson et le chapeau mexicain » p 326 où figurent les principaux modes de production du boson BEH. Sur l’oeuvre deux quarks en rouge, à travers la fusion de bosons intermédiaires WZ produisent un Boson de Higgs en rose ainsi qu’un quark et un anti quark.

Page 325 : les processus de production du Boson de Higgs sont multiples ; les gluons plus nombreux que les quarks dominent dans la production du boson BEH surtout si celui ci a une masse qui n’est pas trop grande. C’est ce qu’on appelle la fusion des gluons. Elle apparaît en haut de l’œuvre dans l’angle gauche : le processus est représenté par les deux gluons (vert et rouge) ainsi que par la boucle de quark top à laquelle se raccroche le boson BEH en rose noté H°. Plus haut dans l’angle le Boson de Higgs interagit avec une boucle de W, et produit deux photons.

En haut à gauche d’après « Higgs Decays to Unknown Spin-zero Particles » : le schéma de désintégration du Boson de Higgs en rose produit quatre quarks b (deux b en jaune et deux anti b en orange). Nous tournons tout en haut à droite de l’autre côté de la bande circulaire rouge, où figure une autre désintégration « aa » du Boson de Higgs en un quark b et un anti b ainsi qu’en deux leptons tau en boules bleues. Juste dessous la fusion de deux gluons en rouge et en vert fait interagir Le Boson de Higgs noté H° avec deux quarks top et deux anti top.

Tout en haut à droite dans l’angle Le Boson de Higgs par l’intermédiaire d’une boucle W- se désintègre en deux photons (schéma p 327). En redescendant à droite d’après le schéma « Decays to Quarks and Leptons » Le Boson de Higgs se désintègre en quatre leptons (deux tau et deux anti tau en boules bleues). Dessous à nouveau un Higgs par l’intermédiaire d’une boucle W- se désintègre en deux photons « y ».

Dessous apparaît un schéma d’après « Higgs decays : two photon two gluon decay ». Le Boson de Higgs en rose se désintègre en deux photons « y » et en deux gluons « g » rouge et bleu. Toujours en redescendant à droite au bord de l’oeuvre on aperçoit « decay to four photons » ou la désintégration « aa » du Boson de Higgs en quatre photons « y » (désintégration potentiellement observable maintenant et dans le futur proche).

« Le Boson et le chapeau mexicain », d’après un schéma p 326 :
Toujours en redescendant en bas à droite apparaît le bremsstrahlung : à partir de deux quarks, la fusion WWZZ produit un Boson de Higgs H° en rose. Tout en bas à droite à nouveau le Higgs se désintègre en deux photons « y » par l’intermédiaire d’un W- . Tout en bas toujours à droite à nouveau d’après le schéma « Branching for Specific Final States aa Decays » : Le Boson de Higgs se désintègre en quatre leptons en boules bleues : deux muons et deux anti muons.

« Higgs Decays to Unknown Spin-zero Particles » : à côté à droite en allant vers le milieu tout en bas, Le Boson de Higgs en rose se désintègre en quatre gluons « g » rouges et verts.