Tests de precisión del modelo estándar en el Tevatrón del Fermilab y el LHC del CERN

Hay aceleradores de partículas cuyo objetivo es descubrir nueva física y otros cuyo objetivo es mejorar la precisión con la que conocemos los parámetros de la física ya conocida. El Tevatrón (Run II) del Fermilab es un colisionador de partículas del segundo tipo; el Tevatrón (Run I) era, y el LHC del CERN es, un colisionar del primer tipo. Durante más de una década los datos de precisión del modelo estándar obtenidos con el Tevatrón serán mejores que los que se podrán obtener con el LHC. A su vez, el LHC explorará energías muy por encima de las alcanzadas por el Tevatrón. En este sentido (y en muchos otros) ambos colisionadores son complementarios (aunque el Tevatrón deje de funcionar a finales de 2011). Esta es la conclusión más importante de las charlas del congreso “Challenges for Precision Physics at the LHC,” LPNHE, Paris, 15-18 December 2010, cuyo foco han sido los tests de precisión del sector electrodébil del modelo estándar, es decir, los parámetros de precisión de los bosones vectoriales W y Z.

Hay que recordar que la física electrodébil de precisión en un colisionador de hadrones (como Tevatrón y LHC) es un poco más difícil que un colisionador de leptones (como LEP). La enorme complejidad de las “sucias” colisiones entre hadrones (el llamado “ruido QCD”) requiere técnicas de análisis mucho más sofisticadas que las necesarias en las un poco más “limpias” colisiones entre leptones. Debido a este ruido hay ciertos límites teóricos en la precisión final alcanzable. Lograr que el análisis de las colisiones en el LHC mejore los resultados de precisión del LEP y del Tevatrón requerirá un nivel de comprensión del funcionamiento de los detectores sin precedentes, nuevas técnicas de calibración, nuevas herramientas de Montecarlo, etc.; en resumen, habrá que desarrollar nuevas técnicas de análisis específicas para cada uno de los detectores (o experimentos) del LHC (algo que requerirá lustros). Todo un reto para los físicos que trabajan en el grupo de precisión electrodébil en el LHC. Así ha ocurrido en los 25 años de historia del Tevatrón. Solo en el último lustro los detectores CDF y DZero del Tevatrón se han convertido en máquinas de precisión para estudiar la física electrodébil del modelo estándar comparables en precisión a los resultados ya obtenidos con LEP.

Creo que conviene que pongamos un ejemplo (extraído del Particle Data Group). El bosón vectorial W tiene una masa de unos 80’400 GeV/c². Comparemos la incertidumbre en su masa (medida en GeV/c²) en las colisiones electrón-positrón (ee) en los detectores del LEP (colisiones con una energía menor o igual a 209 GeV c.m.). Para el experimento OPAL  con 11’8 ke (kiloeventos) es de 0’042; para DELPHI con 10’3 ke es de 0’055; para L3 con 9’9 ke es de 0’034; y para ALEPH con 8’7 ke es de 0’043. Estos números son comparables a los obtenidos con los experimentos del Tevatrón en colisiones protón-antiprotón (pp) con una energía de 1’96 TeV c.m., pero con muchísimos más eventos. Para el experimento DZero con 500 ke (kiloeventos) tenemos 0’043 y para CDF con 115 ke es de 0’034. Para alcanzar en el Tevatrón una precisión comparable a la de LEP han sido necesarios nuevas técnicas de análisis y un número de colisiones diez veces mayor. Con el LHC del CERN se necesitarán números de eventos aún mayores. Este año (2010) el LHC ha observado unos 254 ke de bosones W solo en ATLAS y la incertidumbre en la masa del W ni de lejos se accerca al valor obtenido por el Tevatrón. ¿Tanta diferencia hay entre las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón y protón-protón en el LHC? Pues sí, la hay. La producción de bosones W y Z en colisiones protón-protón presenta cierta asimetría de carga y polarización no presente en las colisiones protón-antiprotón. Al ser las colisiones en el LHC mucho más energéticas que en el Tevatrón los efectos de los quarks más pesados han de ser tenidos en cuenta con mayor detalle. Por ello, la precisión en las medidas de los parámetros del bosón vectorial W en el LHC no serán competitivas con las obtenidas en el Tevatrón durante cierto número de años. Lo mismo ocurre con otras partículas y tests de precisión del modelo estándar.