Le Boson de Higgs : production et désintégration en bosons W et Z

Le Boson de Higgs – Wikipédia :
Le Boson de Higgs ou BEH, est une particule élémentaire dont l’existence, postulée indépendamment en 1964 par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Carl Richard Hagen, Gérald Guralnik et Thomas Kibble, permet d’expliquer la brisure de l’interaction unifiée électrofaible en deux interactions par l’intermédiaire du mécanisme BEH, et d’expliquer ainsi pourquoi certaines particules ont une masse et d’autres n’en n’ont pas.
Le Boson de Higgs confère une masse non nulle aux bosons de jauge de l’interaction faible, les bosons W et Z, leur conférant des propriétés différentes de celles du boson de l’interaction électromagnétique, le photon.
L’existence du Boson de Higgs est trop brève pour qu’on le détecte directement. Une particule ne peut être observée dans un détecteur qu’à des énergies supérieures ou égales à sa propre masse ; il est d’ailleurs abusif de parler de masse pour une telle particule, puisque dans le modèle la masse n’est plus une caractéristique intrinsèque des particules, mais une mesure de leurs interactions avec le champ de Higgs.
L’unification électrofaible est fondée sur le concept que les forces sont générées par l’échange de bosons. Lorsque l’on dit qu’il existe une force entre deux fermions (spin demi-entier), c’est aussi qu’ils sont en train d’échanger des bosons. Comment ces bosons transmetteurs des forces fondamentales acquièrent ils une masse ? Dans le cas de l’unification électrofaible, comment les bosons W+ W- et Z° acquièrent-ils une masse alors que ce n’est pas le cas pour le photon ?
Les symétries de jauge requièrent que les transmetteurs de force (bosons de jauge) soient de masse nulle. Les physiciens Salam, Glashow et Weinbert ont dû inventer un mécanisme pour briser la symétrie de jauge permettant aux bosons W+ W- et Z° d’acquérir une masse : l’idée est de postuler l’existence d’un nouveau champ : Le Champ de Higgs.

Le Champ de Higgs :
Le Champ de Higgs différerait des autres champs car à basse température (énergie), l’espace « préfèrerait » être rempli de particules de Higgs que de ne pas l’être. Les bosons W et Z interagissent avec ce champ contrairement au photon, et avancent à travers l’espace comme s’ils se mouvaient dans une « mélasse » épaisse, et il acquièrent une masse effective. A hautes températures (énergie), les interactions avec le champ de Higgs sont telles que l’espace n’est plus rempli de cette mélasse higgsienne, comme si la mélasse était fluidifiée. Les bosons W+ W- Z° perdent leur masse et la symétrie entre W+W-Z° et le photon n’est plus brisée, elle est « restaurée » : elle est dite manifeste. La masse d’un fermion ou d’un boson ne serait donc que la manifestation de cette interaction des particules avec le champ de Higgs dans lequel elles « baignent ».
Le Champ de Higgs permet donc de préserver la symétrie à hautes énergies et d’expliquer la brisure de symétrie à basses énergies. Il interagit aussi avec les fermions (quarks et leptons) qui acquièrent ainsi une masse.

Voyons au centre de l’œuvre la partie en bleu, représentée d’après lecture et schémas suivants :
⁃pdg.lbl.gov – Status of Higgs boson physics p 183 : je me suis inspirée de la figure 11.21 concernant la définition de la production et des angles de désintégration pour le Higgs conduisant aux bosons Z et à 4l soit quatre états finaux en leptons.

⁃Sur l’œuvre au centre une ligne horizontale jaune part à gauche d’un proton vers la production d’un boson Z. Les observables sensibles à la rotation et à la parité sont les masses des deux bosons Z représentés en boules grises à droite de la partie centrale en bleu. A l’intérieur de la partie centrale bleue et traversant le plan apparaissent les deux électrons (e+ et e-) ainsi que l’angle formé, et les deux muons en boules jaunes ainsi que l’autre angle formé plus incliné à la verticale par rapport au plan du boson Z. A droite de la partie centrale les flèches jaunes dans les parties vertes et roses indiquent la direction des bosons Z.
⁃production de l’angle Z1 défini dans le reste du cadre des quatre leptons par rapport à l’axe du proton.

Sur l’œuvre autour de la partie centrale apparaissent deux cercles à l’intérieur desquels alternent des parties en rose et en vert. Observons les différents schémas de production et désintégration du Higgs :
A gauche vers le bas et d’après un schéma figurant sur LHC – Quantum Diaries page 6 :
Un quark down ou d et un anti down en billes jaunes suivent le trajet en flèches jaunes en émettant des gluons de basse énergie (lignes torsadées rouges, vertes, bleues) : ces gluons ne peuvent être observés individuellement, mais ils ont un effet et transportent de l’énergie vers l’extérieur, le système peut être poussé dans différentes directions. Ce processus est appelé « soft gluon resummation » et a été formulé par Collins, Soper et Sterman en 1985.
L’annihilation des quarks et anti quarks produit plus d’énergie que les gluons émis durant ce processus, et cela conduit à la production d’un boson Z en boule grise au milieu de la ligne ondulatoire jaune. Ce boson Z va ensuite se désintégrer en une paire de muon/anti muon en boules bleu roi dans la partie bleue en bas à gauche au bord de l’œuvre.
En remontant à gauche et à partir de deux protons (trois billes en jaune et vert ou jaune et rouge selon la couleur du fond) est produit un Boson de Higgs en une grosse boule rose (dans la partie bleue au bord à gauche) : le Higgs se désintègre ensuite en un électron et un positron en petites billes bleues au bout des lignes jaunes.
Entre les schémas, des lignes ondulatoires jaunes représentent les photons notés « y » qui s’échappent vers l’extérieur. Nous poursuivons notre chemin dans l’infiniment petit et nous remontons vers la partie supérieure de l’œuvre en haut à gauche. A partir de quarks d appartenant à des protons notés p, un boson Z en boule grise ainsi qu’un photon « y » sur la ligne ondulatoire jaune sont à nouveau produits : ils aboutissent à la désintégration en muon/anti muon représentés en deux grosses boules bleu roi en haut à gauche dans la partie bleue.

Nous voici en haut et au milieu de l’œuvre dans la partie rose et verte : la lecture de LHC – Quantum Diaries page 12 me conduit dans les interactions entre particules : si deux quarks down (billes jaunes) provenant chacun d’un proton, par l’intermédiaire d’un boson W- (grosses boules grises) se transforment alors en quarks up (petites billes rouge et jaune au bout des lignes jaunes), les deux bosons W- fusionnent alors en un boson de Higgs (boule rose) doublement chargé négativement. Si le nombre des leptons est violé, le Boson de Higgs peut alors se désintégrer en une paire d’électrons de même signe (au bout de chaque ligne jaune un électron e- apparaît tout en haut dans la partie bleue au bord de l’œuvre).

Nous redescendons à droite dans les cercles verts et roses : LHC – Quantum Diaries page 5 :
Le processus de Drell-Yan : nous partons d’un quark down en vert, puis nous suivons les flèches jaunes : des gluons en bleu marine et rouge sont émis et se transforment ensuite en deux jets en flèches jaunes . En fait l’antiquark du processus Drell-Yan provient d’un gluon énergétique (en torsades bleu marine dans la partie rose) qui se partage en une paire de quark et antiquark (billes vertes) : un boson Z en boule grise ainsi qu’un photon « y » sont alors produits sur la ligne ondulatoire jaune, puis se transforment ensuite en une paire de muon/anti muon en deux boules bleu roi dans la partie bleu marine en haut à droite.
Nous continuons à descendre à droite dans la partie rose et verte : à partir de deux quarks down notés « d » issus chacun d’un proton noté « p », nous arrivons à la transformation en un Boson de Higgs en grosse boule rose, qui ensuite se désintègrera en deux électrons (billes bleu marine tout au bord de l’œuvre à droite dans la partie rose).
Un peu plus bas toujours à droite à partir de deux quarks down notés « d » appartenant chacun à un proton « p » (trois billes : un quark d et deux quarks up) des gluons sont rayonnés le long des lignes jaunes :un boson Z en boule grise et un photon sont produits sur la ligne ondulatoire jaune, à côté en tournant vers le milieu un lepton (électron) apparaît en bille bleu marine au bout de la ligne jaune. Le boson Z se désintègre en une paire de muon et anti muon en boules bleu roi dans la partie bleue de l’œuvre en bas à droite.

Nous poursuivons notre voyage en bas dans la partie rose et verte de l’œuvre : à partir d’un quark d issu d’un proton (deux quarks up en rouge et un quark d en vert) et par l’intermédiaire des deux bosons en boules grises, le processus est à nouveau symbolisé : un Boson de Higgs en rose se désintègre en deux électrons (billes bleu marine) au bout des lignes jaunes tout en bas de l’œuvre et au milieu dans les parties roses et vertes.
Toujours en bas de l’œuvre dans la partie rose et à gauche est symbolisé le processus VBF (Vector Boson Fusion) ou le vecteur de fusion des bosons : ce processus est représenté également tout en haut à gauche et à droite ainsi qu’en bas à droite : pour cela je me suis inspirée du diagramme représentant ce processus nommé également « WW Scattering », ou l’éparpillement des W-, que j’ai trouvé page 12 LHC – Quantum Diaries : deux quarks (non représentés) provenant de deux protons, chacun rayonnant un boson W peuvent alors interagir de façon élastique l’un avec l’autre : on voit les bosons W se croiser par l’intermédiaire des lignes ondulatoires jaunes.

Nous tournons tout en bas à gauche dans la partie bleue : j’ouvre le livre « Le Boson et le chapeau mexicain » page 327 : Le Boson de Higgs en rose se désintègre par l’intermédiaire d’une boucle de boson W- en deux photons notés « y » au bout des deux lignes ondulatoires jaunes.

Nous remontons à gauche et nous croisons des photons « y » dans la partie rose, puis nous « enjambons » le Boson de Higgs en boule rose dans la partie bleue et nous arrivons en haut à gauche dans la partie verte : d’après le schéma page 311 « Le boson et le chapeau mexicain », à partir d’un électron et d’un positron par l’intermédiaire d’un boson Z, sont produits un Boson de Higgs en boule rose ainsi qu’un boson Z en boule grise.

Nous sommes en haut à gauche dans l’angle en bleu au bord de l’œuvre. Je m’inspire du schéma page 312 « Le Boson et le chapeau mexicain » : à partir d’un électron et d’un positron notés e+ et e-, un photon « y » apparaît en ligne ondulatoire et sont alors produits les bosons W+ et W- en boules grises tout au bord de la toile.

En tournant en haut à droite nous « enjambons » le processus VBF déjà expliqué, nous croisons dans la partie bleue un photon, puis l’électron et le positron produits par la désintégration du Higgs, nous croisons à nouveau tout en haut à droite le processus VBF et nous arrivons dans l’angle en haut à droite : dans les parties roses et bleues et d’après le schéma Higgs Quantum Diaries feuille 2 est représenté à partir de deux bosons W- la production d’un Boson de Higgs en boule rose ainsi que de deux électrons. Nous redescendons à droite après avoir croisé deux photons « y » en ondes jaunes, nous voici dans la partie verte : à nouveau d’après le schéma page 311 « Le Boson et le chapeau mexicain », est représenté un diagramme de Feynman associé au mécanisme de production d’un boson BEH : à partir d’un électron et d’un positron notés e+ et e- et par l’intermédiaire d’un boson Z virtuel sont émis un Boson de Higgs en boule rose et un boson Z en boule grise. Nous redescendons à droite et nous « enjambons » à nouveau dans la partie rose le Boson de Higgs qui se désintègre en un électron et un positron. Nous croisons deux photons dans la partie verte en bas à droite, et nous voici tout en bas dans l’angle à droite et dans la partie bleue.

A nouveau apparaît le schéma de désintégration électron/positron (e+ et e-) qui par l’intermédiaire d’un boson Z+ conduit à l’émission d’un Boson de Higgs en boule rose et d’un boson Z en boule grise. Juste dessous, les électron et positron (e+ et e-) interagissent avec le boson Z° en boule grise et les bosons W+ et W-.

Nous terminons notre voyage dans l’infiniment petit en croisant tout en bas de l’œuvre à droite et à gauche dans les parties vertes et roses, les processus VBF à nouveau symbolisés. J’espère que cette nouvelle traversée de la physique vous a plu, tout en vous permettant de rêver à la sagesse du monde des particules constamment transformé et renouvelé entre production et désintégration, sans souci de la notion de temps qui n’existe pas à cette échelle, alors que nous la connaissons dans notre monde rythmé par les jours, les mois et les années.