Hard Scattering et Jets Quenching

La lecture de publications trouvées récemment sur internet m’incite à accompagner cette œuvre :
Physique du LHC : retour sur les avancées de 2018 / CERN : les expériences Alice, ATLAS, CMS et LHCb ont présenté lors d’une série d’exposés de fin d’année les principaux résultats de physique obtenus en 2018.
2018 : année record pour le LHC : l’accélérateur a livré une quantité de données de collisions proton-proton plus de deux fois supérieure à celle fournie sur l’ensemble des trois années de sa première exploitation.
Les résultats obtenus par ALICE portaient essentiellement sur l’étude du plasma quarks-gluons qui aurait existé dans l’univers primordial. ALICE a montré que les jets de particules émergeant des collisions plomb-plomb sont plus resserrés que ceux formés dans les collisions protons-protons.
En comparant ces résultats avec ceux du RHIC, aux Etats Unis, ALICE a constaté que la production de mésons J/Psi au LHC n’était pas si réduite pour de faibles impulsions transversales, la réduction étant contrecarrée par la recombinaison de quarks c et anti-c.
L’équipe a également observé, dans les collisions plomb-plomb, une proportion de baryons Lambda c par rapport aux mésons D plus élevée que dans les collisions protons-protons et proton-plomb. Cela correspond à ce qui est attendu si les quarks c se lient à d’autres quarks environnants pour former des baryons et des mésons.

Le quark Top : il a été découvert il y a plus de vingt ans, ATLAS a récemment mesuré avec précision sa masse : 172,69 GeV en combinant des données résultant de différents canaux. CMS a également observé des modes de production rares du quark top, associée à celle d’un boson Z et d’un deuxième quark (tZq). Les bosons W et Z peuvent interagir par diffusion et la probabilité de ce phénomène dépend de la présence du Boson de Higgs. La collaboration ATLAS a présenté les résultats de cette diffusion d’un boson W et d’un boson Z.

Les Jets :
Wikipédia : un jet est un cône étroit de hadrons et d’autres particules produits par hadronisation d’un quark ou d’un gluon dans le cadre d’une expérience en physique des particules ou en ions lourds. Les jets sont produits dans des processus de diffusion dure QCD, créant des quarks ou des gluons à impulsion transversale élevée, ou collectivement appelés partons dans l’image partonique.

Pour la bonne compréhension de l’œuvre, voici quelques repères et code de couleur des quarks :
⁃quarks up ou u : billes rouges, sur fond rouge ce sont des billes jaunes
⁃quarks down ou d : billes vertes, sur fond vert ce sont des billes jaunes
⁃quarks strange ou s : boules bleu marine
⁃quarks charmés ou c : boules en colori orangé
⁃quarks bottom ou b : boules jaunes
⁃quarks top ou t : boules jaunes
⁃les anti quarks sont surmontés d’une ligne horizontale jaune
⁃bosons Z et W : boules grises
⁃les gluons : ils sont symbolisés en lignes ondulatoires jaunes rouges bleues ou vertes selon le fond.
⁃les photons : lignes ondulatoires jaunes
⁃les neutrinos : lignes droites roses au bout desquelles apparaît une petite bille rose.

Partons au centre de l’œuvre où une boule de gluons en torsades jaunes vertes et bleues, « éclate », les gluons sont alors projetés au bout des flèches jaunes dans la partie étoilée rouge ainsi que dans la sphère grise l’entourant. Cet éclatement des gluons provient de la collision de deux protons symbolisés en boules jaunes de chaque côté au bord de la sphère grise. Les gluons sont éparpillés dans la sphère grise en torsades jaunes rouges bleues vertes et également bleu marine. L’intérieur des deux protons a « volé en éclats » et l’on retrouve entre les gluons des quarks up en billes rouges et des quarks down en billes vertes.
Nous voici autour de la sphère grise dans deuxième partie étoilée rouge en allant vers le bord de la toile. Au milieu et à gauche de cette partie étoilée rouge un électron noté e- et un positron noté e+, tous deux en petites billes bleu marine, vont par l’intermédiaire d’un boson Z en boule grise produire un quark top et un quark anti-top en boules jaunes, l’un sur fond rouge et l’autre sur fond gris. Deux grandes lignes jaunes vont conduire ces quarks top à la production de jets plus à l’extérieur.
Restons dans la partie étoilée rouge et remontons sur la gauche ; nous croisons des gluons en colori jaune, vert, bleu, un peu plus haut un gluon vert va se scinder en deux flèches jaunes qui donneront d’autres particules. On aperçoit des pions+, sur fond gris, en billes rouges et vertes ainsi que des kaons+ en billes rouges et boules bleu marine ; sur fond rouge le quark up est en colori jaune. Continuons dans la partie étoilée rouge en nous dirigeant en haut vers la droite, nous croisons un photon noté « y » en ligne ondulatoire jaune ; à côté à droite deux longs gluons verts transportant de l’énergie se fragmentent au bout des lignes jaunes. On croise des kaons et des pions.
Redescendons lentement dans la partie étoilée rouge et sur la droite parmi les gluons : l’énergie a produit dans la partie grise des protons notés p, en une bille verte et deux billes rouges, ils vont donner plus haut un Jet Quenching. En descendant à droite entre les branches de l’étoile rouge, dans la partie grise, nous croisons des photons en ondes jaunes ainsi que des neutrinos en traits roses au bout desquels apparaît une petite bille également rose. Plus bas sur fond gris nous apercevons des pions + en quarks up en rouge et anti-down en vert ou jaune selon le fond.
Plus bas à droite et au milieu dans l’étoile rouge nous croisons à nouveau un électron et un positron en billes bleu marine qui, par l’intermédiaire d’un boson Z, en boule grise, vont produire un quark top et un quark anti-top en boules jaunes ; ces derniers vont générer au bout de deux longues droites en jaune, des Jets Quenching au bord de l’œuvre. Toujours en bas à droite en redescendant dans l’étoile rouge, nous croisons un photon « y » en onde jaune plus bas et venant de la partie centrale grise, un long gluon en torsade verte se scinde en deux lignes avec flèches en jaune. Dessous dans la partie grise, un amas de kaons – se prépare à générer des Jets Quenching en bas dans l’angle droit de l’œuvre.
Toujours en bas à droite en tournant dans l’étoile rouge, nous croisons un photon en onde jaune ainsi que des gluons en torsades jaunes vertes et bleu marine ainsi que des neutrinos en traits et billes roses. Continuons à tourner dans l’étoile rouge en bas, un gluon en torsade verte émerge de la partie centrale grise, il poursuit sa course en torsade bleu marine, et se scinde en un autre gluon vert ; au bout des gluons verts et bleu marine, l’énergie se scinde en flèches et lignes droites jaunes. Entre les branches de l’étoile rouge dans les parties grises et vertes, apparaissent des amas de kaons-, de mésons Phi (quarks s et anti-s) et de kaons+. Ils vont chacun générer des Jets Quenching au bord de l’œuvre.
Nous tournons en bas dans l’étoile rouge en nous dirigeant à nouveau vers la gauche, nous croisons un long gluon vert, duquel part aussi un gluon en jaune qui produit de l’énergie en flèches et lignes droites jaunes ; entre les branches étoilées rouges dans la partie grise, c’est un amas de protons noté « p » qui s’apprête à générer un Jet Quenching de protons. Remontons en bas sur la gauche dans l’étoile rouge, nous croisons des gluons en torsades vertes jaunes et bleu marine, plus haut c’est un quark top noté « t » qui apparaît au bout de la flèche jaune, parmi d’autres gluons ainsi que des photons en ondes jaunes ; entre les branches étoilées dans la partie grise, un amas de kaons + se prépare à générer un Jet Quenching. Et nous arrivons à gauche toujours dans l’étoile rouge, juste sous les quarks top provenant de la désintégration de l’électron et du positron en billes bleu marine.
Nous partons maintenant en bas à gauche au delà de l’étoile rouge, dans le troisième cercle où alternent des bandes en vert, gris et bleu, vers le bord de l’œuvre. Un quark top « t » se scinde en un quark b sur fond rouge et en un boson W+ en boule grise sur fond bleu ; le boson W+ va à son tour se scinder en un muon+ en boule bleu clair et en un neutrino muonique en petite bille rose. Dans l’angle à gauche apparaissent sur fond rouge deux Jets Quenching, l’un composé de mésons D- (quarks anti-c en boules orange et quarks down en billes vertes) et l’autre composé de kaons+ (quarks anti-s en boules bleu marine et quarks up en billes jaunes). En remontant à gauche sur fond gris, un jet de kaons + suit la ligne droite jaune, au bout de laquelle part un jet de pions + sur fond rouge au bord de l’oeuvre.
En remontant à gauche dans le troisième cercle entre les deux grandes lignes jaunes provenant des quarks top et anti-top, nous croisons sur fond bleu un long gluon en torsade rouge au bout de laquelle l’énergie se partage en deux lignes jaunes ; tout au bord de l’œuvre à gauche, ce sont des pions° qui apparaissent chacun en deux billes rouges. Toujours en remontant nous apercevons des neutrinos en traits et billes roses et un photon jaune, tout au bord à gauche c’est un amas de kaons° ou K° qui se forme. Plus haut deux longs gluons en torsades jaune et rouge sur fond vert, vont produire de l’énergie en flèches et lignes droites jaunes ; et tout au bord de l’œuvre sur fond vert et bleu marine, c’est un amas de pions- en billes jaunes et rouges ou vertes et rouges selon le fond, qui apparaît.
Continuons plus haut en remontant à gauche dans le troisième cercle sur fond gris au bout de la ligne droite du quark top : un amas de mésons D+ (boules en orange pour les quarks charmés et billes vertes pour les quarks anti-down) est en train de se former. Au dessus dans la partie verte en haut à gauche des kaons + vont générer des Jets Quenching sur fond rouge dans l’angle gauche tout en haut de l’œuvre. Les jets propulsent les kaons + (quarks anti-s en boules bleu marine et quarks up en billes jaunes) vers l’extérieur, on aperçoit aussi des jets de pions + en billes jaunes et vertes.
Nous sommes en haut à gauche dans le troisième cercle, sur les fonds vert et bleu apparaissent de nombreux photons en ondes jaunes ainsi que des neutrinos en petites billes au bout de lignes droites roses. Entre photons et neutrinos, un jet de kaons- ou K- suit une ligne droite jaune au bout de laquelle apparaît tout au bord de l’œuvre un jet de pions- en billes jaunes et vertes sur fond rouge.
Tournons tout en haut de l’œuvre en nous dirigeant vers la droite, et nous croisons sur fond rouge un jet de neutrons (deux billes vertes et une bille rouge). Continuons à tourner à droite dans la partie verte tout en haut, et nous apercevons des photons « y » en ondes jaunes et des neutrinos qui s’échappent vers l’extérieur. Nous arrivons à un jet de kaons+ ou K+ (quarks anti-s en boules bleu marine et quarks up en billes jaunes) sur fond rouge. Tout en haut de l’œuvre en nous dirigeant sur la droite, apparaissent des photons sur fond gris ainsi qu’un jet de pions- (quarks down en vert et anti-up en billes jaunes) sur fond rouge, puis d’autres photons sur fond bleu et nous arrivons en haut vers la droite à un jet de kaons- ou K- : il génère un Jet Quenching de kaons- sur fond rouge. Toujours en tournant tout en haut à droite et sur fond vert, nous croisons encore photons en ondes jaunes, neutrinos en traits roses et gluons en rouge et bleu. Nous arrivons dans la partie grise d’où s’échappe un jet de protons qui suit la ligne droite en jaune. Ce jet de protons génère un Jet Quenching de protons ou « p jet » sur fond rouge (quarks up en billes jaunes et quarks down en billes vertes) ; à côté nous traversons un jet de pions + sur fond rouge.
A droite dans le troisième cercle et dans la partie verte, le quark anti-top en boule jaune se scinde en un quark anti-b en boule jaune et en un boson W- en boule grise. Le quark anti-b va générer un Jet Quenching de mésons D+ (quarks charmés en boules orange et quarks anti-d en billes vertes) sur fond rouge en haut dans l’angle droit. Juste à côté, un Jet Quenching de kaons- ou K- s’échappe vers l’extérieur ; à côté et en redescendant sur le bord à droite, toujours sur fond rouge et à partir du quark anti c en boule orange, on aperçoit un jet de pions- (quarks down en billes vertes et quarks anti up en billes jaunes).
Dans le troisième cercle en descendant à droite, sur fond gris, une ligne droite en jaune va engendrer un long gluon en torsade rouge ainsi qu’un amas de mésons D+ (quarks charmés en boules orangé et quarks anti down en billes vertes) ; des photons, des gluons et des neutrinos continuent leur traversée. Continuons à descendre au bord de l’œuvre dans la partie bleue : un gluon en torsade jaune apparaît, il provient de la ligne droite qui part du quark t dans l’étoile rouge. Ce gluon jaune se scinde en deux autres gluons, l’un en torsade verte et l’autre en torsade rouge. Au bout de la ligne torsadée verte, l’énergie des gluons va générer un amas de pions + (quarks up en billes rouges et quarks anti down en billes vertes) ; juste dessous au bout de la ligne torsadée rouge, l’énergie des gluons va générer un amas de kaons + (quarks anti strange en boules bleu marine et quarks up en billes rouges) ; dessous, un photon y jaune traverse, ainsi que d’autres gluons et neutrinos. Nous voici un peu plus bas à droite dans la partie verte où nous croisons d’autres photons jaunes. Juste dessous apparaît un jet de protons (quarks up en billes rouges et quarks down en billes jaunes) qui part sur la ligne droite jaune : il va générer tout au bord de l’œuvre et sur fond rouge, un jet de pions + (quarks up en billes jaunes et quarks anti down en billes vertes). Des gluons en torsades rouges et bleu marine ainsi que des photons et neutrinos s’échappent vers l’extérieur.
Toujours dans le troisième cercle nous voici en bas à droite dans la partie grise où un jet de neutrons (quarks up en billes rouges et quarks down en billes vertes) court le long de la ligne droite jaune : un autre jet de neutrons apparaît dans la partie rouge tout au bord de l’œuvre : les quarks up sont en billes jaunes et les quarks down en billes vertes. Toujours dans la partie grise, nous croisons des neutrinos en lignes droites et petites billes roses, ainsi qu’un gluon rouge et un photon jaune. Tournons toujours en bas à droite, nous arrivons dans la partie bleue. A la limite du fond gris et du fond bleu, un jet de kaons- (quarks s en boules bleu marine et quarks anti up en billes rouges), provenant de l’amas sur le fond gris du deuxième cercle, va se scinder en deux Jets Quenching sur fond rouge : ils contiennent tous les deux des jets de kaons- (quarks s en boules bleu marine et quarks anti up en billes jaunes) qui s’échappent au bord de l’œuvre. Entre les deux, un autre jet de kaons- en ligne droite va générer un Jet Quenching de pions- sur fond rouge (quarks down en billes vertes et quarks anti up en billes jaunes). Nous sommes tout en bas dans l’angle droit au bord de l’œuvre.
Continuons à tourner lentement tout en bas de l’œuvre, dans les parties bleues et vertes en nous dirigeant à nouveau sur la gauche, nous croisons des photons en ondes jaunes, un gluon en torsade rouge ainsi que des neutrinos en lignes droites et petites billes roses.
Puis sur fond vert, un jet de mésons Phi ( composés chacun d’un quark strange et d’un quark anti strange en boules bleu marine) va engendrer au bout de la ligne droite jaune, un jet de pions° (quarks down et anti down en billes vertes) sur fond rouge. Tournons tout en bas toujours sur la gauche : nous croisons un photon jaune sur fond bleu marine, puis sur fond rouge nous voici devant un jet de kaons+ (quarks anti strange en boules bleu marine et quarks up en billes jaunes). Puis sur fond bleu marine, deux photons jaunes et deux neutrinos roses s’échappent vers l’extérieur de la toile ; à nouveau sur fond rouge apparaît un jet de pions+ (quarks up en billes jaunes et quarks anti down en billes vertes). Toujours en tournant sur la gauche et dans la partie verte, après avoir croisé un photon, apparaît un jet de protons le long des lignes jaunes, avec quarks up en billes rouges et quarks down en billes jaunes.
Nous tournons dans le troisième cercle et dans la partie bleue tout en bas à gauche : après avoir croisé des photons, nous rencontrons un boson W+ en boule grise, boson de jauge de l’interaction faible ; le W+ se scinde alors au bout des deux flèches jaunes en un anti muon en boule bleue et en un neutrino muonique en petite bille rose. Sous la partie bleue, dans l’angle gauche tout en bas et sur fond bleu marine, des photons en ondes jaunes sont accompagnés par un gluon en torsade rouge et un neutrino rose, ils vont s’échapper de la toile.
Remontons dans l’angle gauche où apparaît tout en bas sur fond rouge un Jet Quenching provenant du quark top. Cet jet est composé de kaons + notés K+ (quarks anti-strange en boules bleu marine et quarks up en billes jaunes) ainsi que d’un deuxième jet, toujours sur fond rouge, de mésons D- (quarks anti-charme en boules orangé et quarks down en billes vertes).
Nous remontons sur la gauche et traversons les parties vertes, grises et bleues déjà citées et situées dans le troisième cercle entre les deux grandes lignes jaunes partant des quarks top et anti-top. Après avoir croisé quelques photons et neutrinos dans la partie grise du troisième cercle, nous voici dans la partie verte d’où part un jet de kaons + noté K+ (quarks up en billes jaunes et quarks anti-strange en boules bleu marine), et qui s’échappe sur fond rouge dans l’angle tout en haut à gauche. Juste dessous toujours en haut à gauche sur fond rouge apparaît un jet de pions + avec quarks up en billes jaunes et quarks anti-down en billes vertes.
Entre les kaons + tout en haut dans l’angle gauche part un autre jet de pions +.
Nous tournons lentement tout en haut au bord de l’œuvre en nous dirigeant sur la droite et nous croisons à nouveau sur fond rouge les différents jets l’un composé de neutrons (quarks up en billes jaune et quarks down en billes vertes), juste à droite dans la partie verte ce sont des photons jaunes et des neutrinos roses qui s’échappent vers l’extérieur, puis sur fond rouge toujours vers la droite nous arrivons à un jet de kaons + (quarks up en bille jaune et quarks anti-strange en boules bleu marine), deux photons traversent sur fond gris, nous voici devant un jet de pions- (quarks down en billes vertes et quarks anti up en billes jaunes), puis quelques photons passent sur fond bleu et nous arrivons sur la droite tout en haut sur fond rouge devant un jet de kaons- (quarks anti up en billes jaunes et quarks strange en boules bleu marine) ; nous croisons encore quelques photons et gluons sur fond vert, puis un jet de pions + sur fond rouge ainsi qu’un autre jet de protons (quarks up en billes jaunes et quarks down en billes vertes) également sur fond rouge. Nous arrivons dans l’angle droit toujours en haut au bord de l’œuvre. Nous croisons alors trois Jets Quenching sur fond rouge : ils proviennent de la désintégration du quark anti top dans le troisième cercle. Provenant du quark anti-b, le premier jet est composé de mésons D+ avec quarks charmé en boules orangé et quark anti-down en billes vertes. Le second jet provenant du quark b, est constitué de kaons+ et noté K- avec quarks strange en boules bleu marine et quarks anti-up en billes jaunes, et le troisième jet, partant du quark anti c est, quant à lui, composé de pions- (quarks up en billes jaunes et quarks anti-down en billes vertes).
Nous sommes dans le troisième cercle en haut à droite et nous redescendons au bord de l’œuvre : provenant du quark anti c en boule orange apparaît un jet de pions – en billes vertes et jaunes sur fond rouge, qui s’échappe vers l’extérieur. Redescendons toujours lentement à droite dans le troisième cercle sur fond gris : nous croisons des photons en jaune, un gluon en bleu, un autre en bleu marine, juste dessous une longue ligne droite jaune provenant du quark top, conduit à un amas de mésons D+ (quarks charmés en boules orangé et quarks anti d en billes vertes). Nous apercevons un long gluon rouge qui part de la ligne droite jaune, et dont l’énergie se transformera en mésons D+ de l’amas. Tout au bord de l’œuvre sur fond rouge c’est un jet de pions + (quarks up en billes jaunes et quarks anti down en billes vertes) qui s’échappe vers l’extérieur.
Nous redescendons toujours dans le troisième cercle à droite dans la partie bleue où arrive un gluon jaune : il se scinde en deux autres longs gluons en vert et en rouge. L’énergie du gluon vert va générer au bout de la ligne jaune un amas de pions + (quarks up en billes rouges et quarks anti down en billes vertes). L’énergie du gluon rouge va engendrer au bout de l’autre ligne jaune un amas de kaons + (quarks anti strange en boules bleu marine et quarks up en billes rouges). Plus bas nous croisons des photons et autres gluons. Nous descendons toujours sur la droite dans la partie verte du troisième cercle. Sous les photons jaunes, un jet de protons (quarks up en billes rouges et quarks down en billes vertes) aboutit à un jet quenching de pions + sur fond rouge toujours au bord de l’œuvre.
Nous arrivons en bas de l’œuvre à droite dans le troisième cercle sur fond gris. Un jet de neutrons (quarks up en billes rouges et quarks down en billes vertes) suit la ligne droite jaune. Ce jet s’échappe sur fond rouge au bord de l’œuvre : le quark up des neutrons apparaît alors en bille jaune. Nous croisons encore des neutrinos roses, un gluon rouge et des photons jaunes avant d’arriver en bas de l’œuvre dans l’angle droit : on aperçoit sur fond rouge deux jets de kaons – provenant de la ligne jaune de kaons -. Et tout en bas dans l’angle droit, c’est un jet de pions – qui apparaît sur fond rouge.
Nous tournons lentement tout en bas de l’œuvre à droite sur fond bleu, nous croisons un photon jaune un gluon rouge et des neutrinos roses, et nous nous dirigeons à nouveau vers la gauche. Nous sommes tout en bas dans la partie verte où un jet de mésons Phi (quarks s et quarks anti s en boules bleu marine) engendre au bout de la ligne jaune un jet de pions° (quarks down et anti quarks down en billes vertes) sur fond rouge.
Nous tournons en bas vers la gauche sur fond gris où nous croisons un photon jaune, nous arrivons sur fond rouge et traversons un jet de kaons + (quarks anti strange en boules bleu marine et quarks up en billes jaunes). Nous voici sur fond bleu : deux photons et deux neutrinos s’échappent vers l’extérieur de la toile. Toujours en nous dirigeant à gauche nous arrivons sur fond rouge devant un jet de pions + (quarks up en billes jaunes et quarks anti down en billes vertes). Puis sur fond vert une ligne droite jaune se scinde en deux autres lignes droites, sur lesquelles s’échappent des jets de protons (quarks up en billes rouges et quarks down en billes jaunes).
Et nous arrivons en bas à gauche dans la partie bleue du troisième cercle où nous retrouvons les photons jaunes le gluon rouge et les neutrinos ainsi que le muon et neutrino muonique provenant du boson W+.
La promenade dans l’infiniment petit se termine sur cette toile, mais je vous invite prochainement sur d’autres œuvres à de nouvelles découvertes dans le petit monde infini de la physique des particules.