Los próximos dos años del LHC del CERN y del Tevatrón del Fermilab

Anne Hathaway confiesa que disfruta de su tiempo libre aprendiendo física moderna y teoría de partículas elementales. "Estoy leyendo sobre Einstein y sus teorías. Me gustaría entender la teoría de cuerdas." http://tiny.cc/fan928

 En diciembre de 2011 el Tevatrón del Fermilab habrá alcanzado 12 fb-1 de colisiones protón-antiprotón a 2 TeV en el centro de masas, y el LHC del CERN habrá alcanzado 1 fb-1 de colisiones protón-protón a 7 TeV. ¿Qué diferencias podemos esperar entre los resultados de ambos aceleradores? Jester, pseudónimo del físico de partículas del CERN autor del blog Resonaances, nos cuenta la diferencia en “How much is one inverse femtobarn?,” 3 February 2010. Por otro lado, Tommaso Dorigo, físico de partículas del CDF (Tevatrón) y del CMS (LHC), autor del blog A Quantum Diaries Survivor, nos cuenta las posibilidades de que el Tevatrón restringa la masa del bosón de Higgs entre 120 y 180 GeV en los próximos dos años en “Tevatron Higgs Searches: Past And Future,” February 5th 2010. Finalmente, Matthew Chalmers nos habla sobre las posibilidades de encontrar al Higgs en el LHC a sólo 7 TeV en “Higgs hunters face long haul,” Feb 4, 2010.

Antes de nada, recordaros lo que significa el inverso de un femtobarn (fb-1), que mide la efectividad de un colisionador de partículas. El área efectiva (sección transversal) de la colisión de dos haces de partículas se mide en barns (un barn son 10-28 m2 y un femtobarn son 10-43 m2). La luminosidad es proporcional a la efectividad de los detectores, es decir, al número de colisiones que son detectadas por los detectores del acelerador. La efectividad del colisionador se mide por el producto de la luminosidad integrada en el tiempo por la sección transversal de las colisiones y su unidad es el femtobarn. La luminosidad del LHC es mucho mayor que del Tevatrón, aún así alcanzar 1 fb-1 en el LHC (unos 10 billones de colisiones protón-protón) se estima que requerirá entre 18 y 24 meses.

 Tevatrón: 10.000; LHC: 11.000. Número de bosones de Higgs producidos (que no detectados) suponiendo una masa de 120 GeV. Ambos experimentos tienen una sensibilidad similar a un bosón de Higgs de baja masa. En el LHC se explorarán algunas desintegraciones que no están al alcance del Tevatrón, como la desintegración de un Higgs en dos fotones, pero aún así son sucesos muy raros (0,2 % de las veces). Para diciembre de 2011 es muy difícil que un bosón de Higgs de baja masa sea observado de forma concluyente tanto en el LHC como en el Tevatrón. Eso sí, salvo que tenga una masa del orden de 160 GeV o que haya procesos más allá del modelo estándar que amplifiquen sus probabilidades de desintegración. 

Tevatron: 80.000; LHC: 130.000. Pares de quarks top producidos. Tanto el LHC como el Tevatrón obtendrán un número bastante similar, por ello los tests de precisión del modelo estándar que se podrán desarrollar en ambas instalaciones darán resultados muy similares (a fecha de diciembre de 2011). 

Tevatron: 15; LHC: 300. Cuarta generación de quarks con masa de unos 500 GeV (caso de que existieran). Los 7 TeV del LHC, unas 3,5 veces los 2 TeV del Tevatrón, implican una luminosidad mucho más alta en procesos de física más allá del modelo estándar con energías 3,5 veces la masa del quark top. 

Tevatron: 5; LHC: 25. Bosón vectorial Z’ con una masa de 1 TeV que se acople al modelo estándar vía el isospín. El Tevatrón ha descartado un Z’ con una masa menor de 800 GeV, sin embargo, por encima de 1 TeV sus datos no son concluyentes. Si existiera un bosón Z’ con una masa de 1,3 TeV, la cuenta sería Tevatron: 0; LHC: 5. Para el LHC a 7 TeV, la detección de un Z’ es difícil (cuando alcance plena potencia, 14 TeV, podrá descartar un bosón Z’ hasta los 5 TeV).  

En resumen, nos dice Jester que el LHC será afortunado en su búsqueda sólo si el Tevatrón es extremadamente desafortunado en la suya (“the LHC can be lucky if Tevatron is extremely unlucky“). Por ello, lo expertos no esperan muchas alegrías en los próximos dos años de física de partículas elementales. Aunque nunca digas nunca jamás. 

 

Para Tommaso (Dorigo) la competición entre el Fermilab (Tevatrón) y el CERN (LHC) vivirá sus momentos más emocionantes en los próximos dos años. Para comprender por qué, hay que explicar la figura de arriba. El eje de abcisas es la luminosidad integrada y el de ordenadas el cociente R entre lo observado y lo esperado según el modelo estándar. Expliquemos esto último. Suponiendo que el bosón de Higgs tiene una masa determinada, el modelo estándar predice cuantos Higgs podrán observarse en un colisionador de partículas, sea N. Si los resultados experimentales son suficientes para observar M bosones de Higgs, pero no observan (detectan) ninguno, se dice que la tasa de producción de Higgs es inferior a R=M/N respecto al valor predicho por el modelo estándar. Un valor de R<1 para cierto valor de la masa del Higgs indica que dicho valor queda excluido (con alta probabilidad). Por otro lado, los resultados del Tevatrón resultan de la combinación de los experimentos CDF y DZERO que tienen sensibilidades similares, por lo que si ambos obtienen un valor de R=2, entonces el valor combinado es R=2/(sqrt(2))= 1,4. 

La figura de arriba muestra la estimación (a fecha de noviembre de 2009) del límite R de exclusión para un Higgs con una masa de 115 GeV en el CDF en función de la luminosidad integrada empleada en el análisis (medida en fb-1). La figura muestra que un Higgs de 115 GeV podría ser excluido por el CDF tras acumular una luminosidad entre 15 y 20 fb-1 (aunque el gráfico acaba en 14/fb podemos prolongarlo “visualmente”). Para los dos experimentos del Tevatrón en su conjunto (CDF y DZERO) se estima que serán necesarios entre 7,5 y 10 fb-1 en cada uno. Según Tommaso, para diciembre de 2011 es bastante razonable que ambos experimentos hayan acumulado al menos unos 10 fb-1, con lo que él espera que entonces el Tevatrón habrá sido capaz de excluir un bosón de Higgs en el rango de 120 a 180 GeV. 

Excluir el bosón de Higgs, pero no encontrarlo. Tommaso nos recuerda que incluso si el bosón de Higgs tuviera una masa de 120 GeV, sería muy difícil encontrarlo en el Tevatrón en los próximos dos años. Eso sí, se observaría que la región de exclusión (R<1) se resistiría a acercarse al valor de 120 GeV lo que se interpretaría como una evidencia de un Higgs de dicha masa pero nunca como un descubrimiento. 

En resumen, para Tommaso la batalla entre Tevatrón y LHC se decanta en los próximos 2 años por el Tevatrón. Un LHC con una energía 3,5 veces más grande no es suficiente para superar la ventaja de 8 años de datos ya acumulados en el Tevatrón. Aún así, Tommaso está entre los que creen que el Higgs se descubrirá en el LHC a partir de 2013 cuando el Tevatrón ya sea historia.

Chalmers coincide con Tommaso en que estamos en uno de los momentos más interesantes de la física de partículas elementales con una fuerte compentencia entre el Tevatrón y el LHC. Aún así, descubrir el bosón de Higgs en el LHC a 7 TeV requiere más del doble de datos que a 10 TeV. Pero operar con dos haces a 5 TeV es mucho más peligroso para la instalación que hacerlo a 3,5 TeV. De hecho, durante el año 2012 habrá que reemplazar las más de 10000 conexiones eléctricas de los imanes superconductores por conexiones más robustas antes de acometer un incremento de energía en los haces de protones. La búsqueda de un Higgs en un LHC a sólo 7 TeV durante dos años, como mucho permitirá excluir la masa del Higgs en el rango de 155 a 175 GeV (algo que seguramente ya habrá hecho el Tevatrón).