Diphoton Resonance, KK Graviton and Light-by-Light Scattering

InSPIRE : Consistent simulation of direct-photon production in hadron collisions including associated two-jet production.

Lowest-order diagrams of direct-photon production in hadrons collisions :

Nous partons du centre de l’œuvre ou est symbolisée la collision de deux protons en boules jaunes : les gluons sont représentés en lignes torsadées jaunes, vertes et bleues, les quarks quant à eux sont symbolisés par de petites billes jaunes et vertes. Ils sont éjectés des protons et se retrouvent donc à l’état dit « déconfiné » : on observe dans le premier cercle rouge foncé les diagrammes suivants : sous les deux protons jaunes centraux, deux quarks en vert par l’intermédiaire d’un gluon en ligne verte torsadée, produisent deux autres quarks en billes jaunes ainsi qu’un photon noté « y » en ligne ondulatoire jaune ; ce nouveau processus est observé à cet ordre là. En remontant sur la gauche et inspiré d’un autre diagramme de Feynman (schéma b) apparaissent un quark et un anti quark en billes jaunes qui produisent deux gluons en torsades vertes et bleues ainsi qu’un photon noté « y » en onde jaune. Plus haut toujours en remontant à gauche un quark en bille verte et un gluon en torsade bleue produisent un quark en bille verte et un photon en onde jaune. Toujours dans le cercle central rouge foncé et en haut au dessus des deux protons centraux en jaune, deux quarks en billes vertes produisent un gluon en torsade verte ainsi qu’un photon « y ». On redescend sur la droite avec un autre diagramme de Feynman (schéma a) dans lequel un quark en bille jaune et un gluon en torsade bleue produisent un quark en bille jaune un gluon en torsade vert et un photon en onde jaune. Plus bas à droite, d’après le schéma « c », deux gluons l’un en torsade verte et l’autre en torsade jaune produisent un quark et un anti quark en billes jaunes ainsi qu’un photon en onde jaune.

InsPIRE : Next-to-Leading Order Monte Carlo Simulation of Diphoton Production in Hadronic Collisions :
Continuons notre progression dans le monde de l’infiniment petit avec le deuxième cercle en rouge moyen : en bas deux photons en ondes jaunes s’échappent, tournons à gauche où grâce à un diagramme de Feynman un quark en bille verte et un gluon en torsade verte produisent deux photons en ondes jaunes et un quark en bille verte ; nous remontons à gauche où un quark et un anti quarks en billes vertes sont reliés par un gluon en torsade bleue : ils produisent alors deux photons en ondes jaunes. Plus haut à gauche deux quarks en billes jaunes avec un gluon en torsade verte relié à l’un d’eux produisent deux photons en ondes jaunes ; toujours à gauche plus haut, nous partons de deux quarks en billes vertes, sur l’un d’eux un gluon fait une boucle en torsade bleue, et le tout produit à nouveau deux photons en ondes jaunes. Plus haut deux quarks sont émis en billes jaunes, de l’un d’eux part un gluon en torsade bleue, et sont toujours produits deux photons en ondes jaunes. En haut toujours dans le cercle rouge moyen et en tournant sur la droite, nous croisons un autre diagramme : le quark et l’anti quark en billes vertes produisent deux photons « y » et un gluon « g » en torsade bleue. Nous redescendons sur la droite où deux quarks en billes jaunes produisent deux photons « y » en ondes jaunes. Plus bas idem avec deux quarks en billes vertes qui se désintègrent en deux photons en ondes jaunes et entre les deux apparaît un gluon en une boucle torsadée verte ; même processus plus bas avec les deux quarks en jaune qui produisent les deux photons en jaune, l’un des quarks est relié au photon par un gluon en boucle torsadée bleue ; plus bas les deux quarks en billes vertes et accompagnés par un gluon en ligne torsadée bleue, produisent deux photons jaunes. Nous sommes en bas du deuxième cercle rouge où un gluon en ligne torsadée bleue et un quark en bille jaune se désintègrent en deux photons jaunes à côté du quark, ainsi qu’un autre quark au bout de la ligne partant du gluon bleu : nous voici à nouveau à côté des deux photons jaunes.
Nous allons maintenant découvrir « l’axion » : c’est une particule hypothétique, supposée stable, neutre et de très faible masse. L’axion est supposé être un boson, il n’aurait aucune charge électrique et une section efficace d’interactions forte et faible réduite ; les axions peuvent se changer en photons et vice-versa lorsqu’ils sont soumis à un fort champ magnétique (effet Primakoff).
Continuons notre « promenade » dans le troisième cercle rouge en bas sous les deux photons du deuxième cercle : à partir d’un pion° composé d’un quark et d’un anti-quark en vert et par l’intermédiaire d’un axion lourd en boule bleu marine apparaissent deux photons en ondes jaunes : chacun d’eux se désintègre en un électron et un positron en petites billes bleu marine. Nous nous dirigeons sur la gauche dans le troisième cercle en remontant doucement : deux quarks (notés « p » pour partons) se transforment en deux photons jaunes, puis passent par l’état d’axion en boules bleues notées « A » avant de se transformer au final à nouveau en deux photons jaunes. Continuons à remonter à gauche nous sommes aux énergies de 750 GeV : de deux partons notés « p » sont produits par un axion lourd en boule bleu marine trois jets de particules symbolisés par les trois flèches jaunes, ainsi qu’un photon : ce dernier rejoint le premier photon produit et par l’intermédiaire d’axion noté « A » les deux photons se désintègrent à nouveau en deux autres photons jaunes. Toujours en remontant dans le troisième cercle à gauche un pion° avec ses deux quarks en billes vertes, passe par l’état d’axion lourd en boule bleu marine, puis se transforme en deux photons jaunes qui à leur tour se désintègrent chacun en un électron et en un positron en billes bleu marine. Plus haut deux quarks notés « q » passent par l’état d’axion et se transforment en un premier photon, puis en un deuxième photon jaune, par l’intermédiaire d’une particule médiatrice Z, ainsi qu’en deux autres photons jaunes après être passés à nouveau par un axion lourd en boule bleu marine. Nous arrivons en haut sur la gauche toujours dans le troisième cercle rouge et aux énergies notées 750 GeV : deux partons notés « p » produisent deux photons jaunes, ils se rejoignent en axions lourds notés « A » qui les transforment à nouveau en deux photons « y » ; de part et d’autre des deux premiers photons produits partent des lignes droites jaunes par lesquelles s’échappent les partons notés « p ». En haut du cercle rouge apparaît à nouveau le processus du pion° en deux quarks verts par lequel un état d’axion lourd en boule bleu marine transforme les quarks en deux photons jaunes qui, à leur tour, produisent chacun un électron et un positron en billes bleu marine. Nous redescendons lentement sur la droite : à nouveau le processus à 750 GeV produit, en partant d’un parton, par un état d’axion lourd en boule bleu marine, un photon noté « y » ainsi qu’un jet de particules avec les trois lignes droites en jaune. En partant du deuxième parton qui s’échappe ensuite en ligne droite, un autre photon est produit, il rejoint l’autre photon et par l’état d’axion lourd, deux autres photons apparaissent et s’échappent jusqu’au cercle vert. Nous redescendons à droite : deux quarks notés « q » par l’intermédiaire d’un axion en boule bleu marine ainsi que d’un boson Z, produisent un photon : ce dernier passe par un deuxième état d’axion et se transforme en photon jaune ; puis au bout de la ligne jaune un troisième axion produit à nouveau deux photons en ondes jaunes notées « y » dans le cercle vert. Redescendons à droite : un pion° en deux billes vertes se transforme par l’état d’axion en boule bleu marine, en deux photons « y » qui à leur tour se désintègrent en électron et positron. Plus bas deux partons « p » passent par un état d’axion en boules bleu marine : chacun des partons produit un photon ainsi qu’un jet de particules symbolisé par trois lignes droites jaunes ; puis les deux photons se rejoignent en anions notés « A » qui produisent à nouveau deux photons « y » s’échappant dans le cercle vert. Dessous deux quarks »q » se rejoignent en un état d’axion et produisent un photon jaune, au bout duquel un anion noté « A » produit un photon et une ligne droite qui conduit à un troisième axion bleu marine : ce dernier se désintègre en deux photons dans le cercle vert. Nous arrivons au pion° en bas, le troisième cercle est bouclé.
Poursuivons notre voyage dans le cercle vert au milieu et tout en bas : deux quarks en rouge se rejoignent en un photon jaune qui ensuite se fractionne en quatre noté : F1 F2 F3 et F4 . Toujours dans le cercle vert nous remontons lentement sur la gauche en bas : à nouveau à partir de deux quarks en rouge un premier photon est produit sur la ligne droite à côté d’un quark, les deux quarks se rejoignent ensuite en un photon qui se fractionne ensuite en quatre parties F1 F2 F3 et F4 . En remontant à gauche apparaît le même processus de fractionnement ainsi que jusqu’en haut sur la gauche où, partant d’un quark en bille rouge un photon est émis par l’intermédiaire d’un boson W, puis un deuxième photon se fragmente en quatre parties. Idem tout en haut dans le cercle vert avec émission d’un photon à partir d’un des quarks, puis d’un deuxième photon par l’intermédiaire d’un boson W+ et qui ensuite se fragmente en quatre parties. Ce processus est représenté quatorze fois dans le cercle vert, en partant de deux quarks en billes rouges, un ou plusieurs photons sont produits qui aboutissent à l’état final en fragmentations notées F1 F2 F3 F4 ; entre les diagrammes, des photons s’échappent en ondes jaunes ainsi que des gluons en lignes torsadées rouges et bleu marine.
Nous voici dans le cinquième cercle bleu en bas et au milieu : sous le diagramme de fragmentation s’échappent photons et gluons
GKK ou le Graviton :
inspirehep.net/record/1082448/plots :
Revisiting the large extra dimension effects on SWS-pair production….. : dans ce cercle une série de diagrammes sont symbolisés avec l’échange du graviton KK.
En tournant lentement à gauche apparaît un premier diagramme par lequel un gluon vert et un gluon bleu marine par l’intermédiaire d’une boucle de gluon rouge et du graviton GKK se transforment en deux bosons W. Remontons toujours à gauche où un électron et un positron notés e- et e+ se transforment par l’intermédiaire d’un photon en bosons W+ et W-. Plus haut un gluon vert et un gluon rouge passent par l’état de quarks (dans le carré jaune), dont un quark « S », avant de se désintégrer en deux bosons W. Au dessus toujours dans le cercle bleu et à gauche, un gluon rouge et un gluon bleu marine se désintègrent en un gluon vert clair et deux bosons W. Plus haut deux gluons rouge et bleu marine passent par un état intermédiaire en forme de triangle composé de trois gluons en vert rouge et bleu marine, avant de se transformer avec la force du graviton GKK en deux bosons W. En haut à nouveau un électron et un positron avec l’aide d’un photon « y » aboutissent aux bosons W+ et W-. Nous voici en haut du cercle bleu où un gluon vert et un gluon bleu marine passent par une boucle de gluon rouge avabt de se transformer en deux bosons W avec l’échange du graviton GKK. Tout en haut dans le cercle bleu nous croisons des photons jaunes ainsi que des gluons, nous tournons ensuite vers la droite où apparaît un diagramme avec deux gluons rouges : ces derniers passent par un état de quarks dans le carré jaune, dont un quark « c » en boule orange, puis se désintègrent ensuite en deux bosons W. Continuons à descendre sur la droite : un gluon vert et un gluon bleu marine passent par l’état d’une boucle rouge de gluon avant de se désintégrer en deux bosons W. Plus bas nous croisons trois photons jaunes et un gluon vert avant d’arriver devant un diagramme : un gluon rouge et un gluon vert passent par un état intermédiaire de quarks sur le carré jaune : un quark « c » apparaît en boule orange, puis le tout se désintègre en deux bosons W. Nous redescendons et croisons à nouveau trois photons jaunes et un gluon rouge : dessous à droite à nouveau le processus à partir d’un gluon vert et d’un gluon bleu marine, par l’intermédiaire d’une boucle rouge de gluon aboutit à la formation de deux bosons W par le Graviton GKK. Plus bas à droite un électron et un positron notés e+ et e- par l’intermédiaire d’un photon « y » produisent un boson W+ et un boson W-. Nous croisons à nouveau photons et gluons avant d’arriver en bas à droite toujours au processus GKK à partir d’un gluon vert et d’un gluon bleu marine qui, par un triangle de gluon rouge, va ensuite se désintégrer en deux bosons W. Plus bas nous voyons à nouveau le même processus avec un gluon rouge et un gluon bleu marine qui aboutissent à deux bosons W dans la partie rouge. Nous arrivons en bas et au milieu dans le cercle bleu : un gluon vert et un gluon rouge passent par un état de quarks dans le carré jaune avant de se désintégrer en deux bosons W. Le cercle bleu est bouclé.
Nous voici tout en bas et au milieu dans le cercle rouge :
Le Light-by-Light Scattering :
ATLAS spots light-by-light scattering – CERN Courrier :
Durant les premières années de l’électrodynamique quantique (QED), Heisenberg et son étudiant Euler réalisèrent que les photons peuvent être diffusés par eux mêmes à travers un processus de boucle quantique incluant des paires d’électrons et de positrons virtuels. Ce phénomène appelé « light-by-light scattering » (yy—yy) bien que très rare, casse les équations linéaires de Maxwell’s et est une des plus vieilles prédictions de l’électrodynamique quantique.
Il a été récemment suggéré que le light-by-light scattering puisse être étudié par l’intermédiaire de photons produits dans les collisions d’ions lourds. Le phénomène se manifeste de lui même, permettant au processus yy—yy de se produire directement, tandis que les nucléons généralement restent intacts.
En 2015 aux énergies d’un centre de masse de 5,02 TeV, parmi plus de quatre milliards de collisions observées par le LHC, seulement treize candidats « diphotons » ont été détectés. Cette observation ouvre une fenêtre de plus sur la nouvelle physique du LHC .
Tout en bas de l’œuvre et au milieu dans la partie rouge, apparaît le light-by-light scattering : du carré en jaune sont diffusés quatre photons en ondes jaunes. Tournons en bas sur la gauche dans les deux cercles rouges : un premier diagramme apparaît par lequel deux quarks en billes vertes produisent un premier photon en onde jaune, puis un deuxième et encore deux autres photons au bout d’une courte ligne droite en jaune.
Remontons sur la gauche en bas de l’oeuvre, et découvrons les shémas inspirés par les pages suivantes :
750 GeV Composite Axion at the LHC Diphoton Resonance – INS… inSPIRE :
Sur l’oeuvre, un gluon vert et un gluon bleu fusionnent, se transforment en un pion°, différents états d’axion en billes bleu marine vont se scinder en deux fois quatre photons en ondes jaunes, soit au total huit photons. Plus haut, deux partons en billes vertes vont se transformer en deux photons jaunes, puis par l’état d’axion vont produire au bout de la ligne droite à nouveau deux autres photons tandis que deux jets de particules s’échappent au bout des lignes droites de part et d’autres des photons. Nous continuons toujours plus haut à gauche : à partir de deux partons en billes vertes, deux photons se rejoignent au bout des lignes droites jaunes, puis par l’intermédiaire d’un état d’axion noté « A » se transforment à nouveau en deux autres photons jaunes. En haut à gauche toujours dans les deux cercles rouges et à partir de deux gluons en vert et en bleu marine, apparaît une boucle en forme de triangle jaune à 750 GeV, cela conduit à la formation de deux pions°, chacun en deux billes bleu marine : les deux pions se scindent chacun en en quatre photons jaunes au bout des lignes droites. Tout en haut nous arrivons devant un autre diagramme par lequel, à partir de deux partons en vert sont produits deux photons en ondes jaunes, puis deux leptons notés l+ et l-, tandis que les deux partons s’échappent de chaque côté. Tout en haut de l’oeuvre nous croisons à nouveau le processus « Light-by-Light Scattering » où est symbolisée, à partir du carré jaune, la diffusion de quatre photons. Nous redescendons à droite toujours dans les deux cercles rouges : à partir de deux partons en billes vertes, sont produits deux photons en ondes jaunes, puis par un état intermédiaire, ils se désintègrent ensuite en deux bosons W+ W-, tandis que les deux partons « p » s’échappent de chaque côté. Nous redescendons à droite et à nouveau le processus à partir de deux gluons en vert et bleu marine, conduit à la production de deux pions° aux énergies de 750 GeV ; ces derniers produisent à leur tour chacun quatre photons, soit au total huit photons. Nous redescendons à droite et croisons à nouveau le processus par lequel deux quarks en billes vertes se désintègrent en deux photons en on des jaunes, puis une ligne droite par l’intermédiaire de l’état d’axion, conduit à la formation de deux autres photons en ondes jaunes. Plus bas le même processus que dans le bord gauche, apparaît : deux quarks en billes vertes produisent deux photons ainsi que deux jets de particules en lignes droites jaunes de chaque côté. Les deux photons se rejoignent et par l’intermédiaire d’un état d’axion produisent deux autres photons. Plus bas toujours à droite, à partir de deux gluons vert et bleu marine, le processus à 750 GeV conduit à la formation des deux pions° qui vont se scinder chacun en quatre photons . Nous voici tout en bas de l’œuvre dans la partie rouge, les deux cercles rouges sont bouclés.
Ce voyage dans les particules de lumière s’achève avec les quatre angles de la toile sur fond bleu marine. Le Light-by-Light Scattering est à nouveau symbolisé : dans le cercle vert à partir de deux partons en billes rouges, un carré jaune avec l’intermédiaire d’un boson W conduit à l’émission de photons tandis que les deux partons s’échappent par les lignes droites tout au bord de l’œuvre.
Notre promenade dans la lumière est terminée, nous avons observé le comportement des photons, la façon audacieuse avec laquelle ils disparaissent avant de renaître de façon tout aussi inattendue en utilisant d’autres états et particules : axions, gluons, quarks, pions°, bosons W, autant d’intermédiaires pour comprendre les mille petits tours des photons !