Estado actual del LHC del CERN y las previsiones para su futuro según el LHCC Meeting

El miércoles y el jueves no pude ver en directo el webcast del “101st LHCC Meeting Agenda.” Las transparencias de las charlas se encuentran colgadas en la web, lo que nos permite tener una idea de lo que se ha contado en las diferentes charlas. Como resumen general hay que decir que todas afirman que el LHC está funcionando mejor de lo esperado y que nadie duda de que el objetivo de obtener un inverso de femtobarn (1/fb) de colisiones a 7 TeV en el centro de masas para finales de 2011 se logrará. Pero hemos de ser pacientes. En el primer mes de colisiones a 7 TeV (abril de 2010) la luminosidad ha sido muy baja y sólo se ha obtenido un inverso de nanobarn (1/nb) de colisiones. En el segundo mes se espera alcanzar los diez inversos de nanobarn (10/nb). Hay que recordar que un inverso de nanobarn es un millón de veces menos colisiones que un inverso de femtobarn (1/fb = 1000000/nb), el objetivo para finales de 2011. Casi todas estas colisiones se obtendrán durante el año 2011, así que este año se dedicará a ir ajustando poco a poco la máquina con el objeto de garantizar que dicho objetivo se pueda cumplir. Y en opinión de todos, se logrará sin problemas.  

Experimento ALICE del LHC: primer evento a 0'9 TeV (izq.) y a 7 TeV (der.). (C) CERN

Todos los detectores están funcionando bien, aunque no con el 100% de eficiencia, la mayoría ya supera el 96%. Todavía hay que entender muchos detalles de cómo se comportan y ajustar los parámetros de los algoritmos de Montecarlo necesarios para interpretar las colisiones candidatas a física interesante. Permitidme unos números anecdóticos para hacernos una idea de lo que se ha obtenido en el primer mes de colisiones. En el detector CMS se han observado 6 candidatos a bosón W y 1 candidato a bosón Z, números que se ajustan muy bien a la predicción estadística del modelo estándar para 1/nb, observar 8 bosones W y 0’8 bosones Z. En el detector ATLAS se han observado 12 bosones W (las transparencias muestran la “foto” de los 4 primeros para los interesados). Sobre LHCb, ALICE, LHCf, y TOTEM poco hay que contar, salvo recordar que LHCb es el único experimento capaz de desplegar todo su potencial y lograr casi la totalidad de sus objetivos físicos de aquí hasta finales de 2011. En la figura de arriba os he mostrado los dos primeros eventos observados en ALICE con colisiones a 0’9 TeV y a 7 TeV, que ilustran muy bien como a más energía, más complicado es el análisis de las colisiones.  

Las cifras obtenidas en las primeras colisiones no son espectaculares pero corresponden a lo que prevee el modelo estándar para más o menos 1/nb de colisiones. ¿Con qué compararlas? Para finales de 2011, el LHC habrá obtenido 1/fb de colisiones, ¿cuántos W y Z habrá observado entonces? Aproximadamente unos 250 000 bosones Z y unos 2 500 000 bosones W. Estos números los podemos a su vez comparar con los del Tevatrón del Fermilab, por ejemplo, DZero ha observado en toda su historia unos 500 000 W. Por ello la estimación de la masa del bosón W que obtendrá el LHC a finales de 2011 se espera que sea mejor que la obtenida por el Tevatrón, máxime cuando a 7 TeV las correcciones cromodinámicas (QCD) de alto orden son más pequeñas que a 14 TeV y dicho valor será más fácil de estimar

No hay que olvidar que para lograr que a finales de 2011 se haya recopilado 1/fb de colisiones es necesario que a principios de 2011 el LHC pueda funcionar de forma estable y sostenida con una luminosidad instantánea entre 1-2 × 1032 cm-2 s-1, lo que significa unos 700 paquetes (bunches) de protones, cada uno con unos 8 × 1010 protones. Por ahora, alcanzar este objetivo parece bastante realista. Son buenas noticias, pero todavía queda muchísimo trabajo por hacer este año. 

¿Cuándo observará el LHC el primer evento candidato a un quark top (el primero observado en Europa)? Se espera que cuando haya acumulado un inverso de picobarn (1/pb = 1000/nb) de colisiones, es decir, como muy tarde antes de la parada del verano. ¿Cuándo podremos afirmar que se ha “redescubierto” el quark top en Europa? Se estima que cuando se hayan acumulado unos 20 picobarn y entre todos los experimentos se acumulen unos 120 candidatos a quark top. 

  

¿Nueva física más allá del modelo estándar? Todavía es pronto, pero el LHC a 7 TeV es mucho más luminoso que el Tevatrón a 2 TeV. Por ejemplo, unas 15 veces más luminoso para la observación de la desintegración de un bosón de Higgs en un par de bosones vectoriales (WW o ZZ), unas 20 veces más luminoso para la observación del quark top, entre 150 y 200 veces más luminoso para la observación de quarks de cuarta generación (top prima, quark de tipo top de unos 350 GeV), y entre 50 y 100 veces más luminoso para la observación de nuevos bosones vectoriales (un bosón Z prima de 1 TeV). A finales de 2011, sólo el experimento CMS del LHC excluirá un bosón de Higgs con una masa entre 145 y 190 GeV, como muestra la figura de arriba. El descubrimiento más rápido del bosón de Higgs se obtendría si éste tuviera una masa de 160 GeV, que permitiría alcanzar una evidencia de su existencia rayando el descubrimiento (entre 3 y 5 sigma). Combinando los datos de CMS y ATLAS se ampliarán ligeramente estos valores (intervalo de exclusión entre 140 y 200 GeV, y rango para posible descubrimiento entre 160 y 170 GeV). El LHC superará con creces las expectativas del Tevatrón para encontrar un bosón de Higgs con masa mayor de 140 GeV. Sin embargo, por debajo de 140 GeV si no lo encuentra el Tevatrón, tendremos que esperar unos cuantos años para tener noticias del Higgs en el LHC. 

 

Las partículas predichas por la  supersimetría son en su mayoría más pesadas de lo que puede alcanzar el Tevatrón, por lo que el LHC tiene muchas posibilidades de observar señales de su existencia a finales de 2011 (en la figura de arriba hay que comparar la región celeste con la región de otros colores). Para superar todas las búsquedas hasta hoy en el Tevatrón, al LHC le bastan con 50/pb de colisiones (lo habrá logrado a finales de 2010). Si la materia oscura está formada por partículas LSP es muy probable que haya sido descubierta en el LHC a finales de 2011 (según las estimaciones teóricas combinadas con datos astrofísicos y cosmológicos). Según Oliver Buchmüller, con 100/pb el LHC habrá entrado en un nuevo territorio inexplorado de la física y podrá empezar a observar/descartar física exótica como el tecnicolor, nuevos bosones vectoriales, agujeros negros, dimensiones superiores, y otros “esoterismos teóricos.”

Ya para acabar, el LHCC también ha servido para que nos enteremos del anuncio de varios eventos que se organizarán en el LHC, como los mini-workshops de 1 solo día que se organizarán el primer viernes de cada mes. El 7 de mayo ha sido sobre difracción, el 4 junio será sobre nueva física, el 2 julio sobre QCD, etc.

Un pensamiento en “Estado actual del LHC del CERN y las previsiones para su futuro según el LHCC Meeting

  1. Fantástico blog. Que gran descubrimiento!

    Sigue así. Felicidades!

    Guillermo

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