La búsqueda del quark top entre 1990 y 1995

El 1 de enero de 1990 encontrar el quark top era el problema más importante para los físicos de partículas elementales. El modelo estándar necesitaba el quark top de forma desesperada para resolver muchos de sus problemas; aunque algunos físicos habían desarrollado variantes del modelo estándar sin quark top, la mayoría de los físicos estaba convencido de que el quark top existía. Los colisionadores de leptones como DESY (colisiones electrón-positrón) indicaban que la masa del quark top era superior a 27 GeV/c² y los colisionadores de hadrones como SPS del CERN (colisiones protón-antiprotón) apuntaban a un valor mayor de 41 GeV/c² (límites similares a los conocidos en 1988). El modelo estándar (mínimo) era compatible con un quark top cuya masa fuera inferior a 200 GeV/c². Por tanto, en enero de 1990 la masa del quark top podía tener un valor cualquiera entre 41 y 200 GeV/c²; muy pocos pensaban que el valor correcto sería más próximo a 200 que a 41, como al final resultó ser (173 GeV/c²). Pocos se atrevían a considerar un quark top pesado, uno con una masa superior a la del bosón W, y muy pocos se atrevían a estudiar las consecuencias de estas ideas con objeto de guiar el análisis de los experimentos. Lejos quedaban las estimaciones de la masa del quark top que afirmaban en 1981 que su masa era mayor de 19 GeV/c², e inferior a 47 GeV/c², o las estimaciones de 1986 que apuntaban a una masa en el intervalo entre 30 y 70 GeV/c². 

El 1 de enero de 1990 algunos aún tenían esperanza de que el experimento UA2 del SPS en el CERN, bajo la dirección de Carlo Rubbia, lograra descubrir el quark top en Europa; pero para la mayoría el «único chico en la ciudad» era el Tevatrón del Fermilab, en Batavia, cerca de Chicago (EE.UU.) con sus colisiones protón-antiprotón a 1’8 TeV c.m. Se estimaba entonces que el Tevatrón descubriría el quark top con 10 /pb (inversos de picobarn) de datos de colisiones si tenía una masa menor de 120 GeV//c², pero necesitaría 100 /pb si su masa era menor de 200 GeV/c². El nuevo director del Fermilab, John Peoples, lograría el sueño, el Tevatrón descubriría el quark top; era solo cuestión de tiempo, ¿pero cuánto tiempo? Quizás era inminente o quizás se necesitarían unos cinco años, se decía entonces. John Peoples cogió el testigo de la dirección del Fermilab el 20 de abril de 1989 de la mano de Leon Lederman (ya Premio Nobel en 1988, hoy muy conocido entre el público general como autor del libro «La partícula divina» junto a Dick Teresi, en 1993). Yo creo que en 1990 Lederman se veía como futuro director del flamante Supercolisionador Superconductor (SSC), cuya construcción fue abortada en 1993 porque la estimación de su coste se había triplicado desde 1988.

El 8 de enero de 1990 las esperanzas de descubrir el quark top en Europa se desvanecieron de repente. El experimento CDF del Tevatrón (DZero inició su andadura en febrero de 1992) publicó los resultados de su primera búsqueda del quark top con colisiones protón-antiprotón a 1’8 Tev c.m., tras analizar los primeros 4’4 /pb de colisiones. Se excluía que el quark top tuviera una masa entre 28 y 72 GeV/c² al 95% C.L., es decir, el quark top tenía una masa mayor de 72 GeV/c² (solo analizaron un modo de desintegración, eμ; hubo que esperar a enero de 1992 para el análisis de los modos ee y μμ, que con los mismos datos elevó el límite inferior para la masa del quark top a 91 GeV/c² al 95% C.L.). El experimento UA2 del SPS en el CERN, que junto al experimento UA1 descubrió los bosones W y Z en 1983, era incapaz de observar un quark top tan pesado; 1990 fue el último año de colisiones de UA2. La estrella del CERN en 1990 era el colisionador de leptones LEP (colisiones electrón-positrón) que inició su andadura en agosto de 1989. LEP tampoco era capaz de descubrir un quark top tan pesado.

En septiembre de 1990 las medidas más precisas de las masas de los bosones W y Z permitían estimar la masa más probable del quark top en 151 GeV/c², siendo en cualquier caso menor de 200 GeV/c² al 95% C.L. Estas estimaciones no mejoraron mucho hasta finales de 1992. Los interesados en conocer cómo las mejores medidas de precisión de la teoría electrodébil de 1992 permitían restringir la masa del quark top disfrutarán con el artículo de Jonathan L. Rosner (octubre de 1992).

En abril de 1994, el experimento DZero del Tevatrón publicó el análisis de sus primeros 15 /pb de colisiones a 1’8 TeV c.m. (el artículo se envió en enero). La masa del quark top era mayor de 131 GeV/c² al 95% C.L. (se analizaron las desintegraciones eμ+jets, ee+jets, e+jets, y μ+jets). El quark top estaba a punto de ser descubierto. Enviado el 18 de mayo y publicado el 11 de julio, el experimento CDF del Tevatrón tras analizar 19’3 /pb de colisiones proclamó la primera evidencia de la existencia del quark top con una masa de 174 ± 17 GeV/c² (el análisis más completo se publicó el 1 de septiembre). Quizás era pronto para proclamar un descubrimiento, la certeza era solo de 2’8  σ y un descubrimiento requiere 5  σ, de hecho solo se observaron 12 eventos candidatos, cuando el fondo era de 6 eventos; además, DZero no había logrado confirmar esta evidencia. Aún así, la masa observada era consistente con la estimación teórica obtenida por el LEP en el CERN a partir de los datos de precisión electrodébil (teoría más experimentos en LEP) durante el verano de 1994, en concreto 165 ± 15 GeV/c².

La observación definitiva del quark top fue obtenida por CDF y DZero del Tevatrón en el Fermilab (los artículos fueron enviados en febrero de 1995, anunciados en rueda de prensa el 2 de marzo y publicados el 3 de abril). CDF analizó 67 /pb de datos de colisiones y observó con una certeza de 4’8 σ el quark top con una masa de 176 ± 12 GeV/c² en el canal de desintegración tt → WWbb. Por su parte, DZero analizó 50 /pb de datos de colisiones y observó con una certeza de 4’6 σ el quark top con una masa de 199 ± 29 GeV/c² (DZero observó 17 eventos candidatos sobre un fondo de 4).

Cinco años fueron necesarios para proclamar el descubrimiento del quark top. El CERN desistió cuando el Tevatrón cogió el guante.

En la actualidad, la prioridad es la búsqueda del bosón de Higgs; el Tevatrón ha desistido (por falta de financiación y por falta de confianza); el LHC en el CERN ha recogido el guante y es difícil, sino imposible, que no encuentre el Higgs en los próximos cinco años (quizás incluso antes). El descubrimiento será tardío si la masa del Higgs ronda los 115 GeV/c², pero igual que pasó con el quark top, el peor caso es el más probable según los tests de precisión de la teoría electrodébil.



5 Comentarios

  1. “El LHC en el CERN ha recogido el guante y es difícil, sino imposible, que no encuentre el Higgs”.

    Hmm…imposible suena muy radical en este contexto.

    Aprovecho para informar a tus lectores de un nuevo sitio sobre física: http://www.physics.stackexchange.com , parecido a Mathoverflow, Csstackexchange y otros: preguntas y respuestas rápidas y de calidad de nivel tecnico avanzado.

    Cómo muestra un botón (de Higgs):

    http://physics.stackexchange.com/search?q=higgs

    http://physics.stackexchange.com/questions/185/what-is-needed-to-claim-the-discovery-of-the-higgs-boson

    http://physics.stackexchange.com/questions/129/what-would-be-the-implications-to-the-standard-model-if-the-higgs-boson-isnt-fou

  2. La predicción del quark top, la construcción del modelo estándar de las partículas elementales. Menudo triunfo de la mente humana. Muchas veces no nos paramos a pensar en ello. Para mi t’Hooft y Veltman son los arquitectos de este maravilloso edificio y han logrado uno de los mayores logros del intelecto humano acercándose a vislumbrar la estructura de la realidad en su nivel más fundamental. ¿Cuándo se volverá a dar un paso de este calibre?

  3. En 1995 se descubre el QUARK TOP con una masa de 173 MeV. Sin embargo,
    el BOSON de HIGGS con una masa de 126 MeV (47 MeV inferior al anterior)
    ha habido que esperar hasta el 2012 para confirmar su existencia.
    Me gustaría conocer los motivos de esa, para mí, aparente contradicción.
    «Se nota que el tamaño no es todo»

    Saludos
    ————-

    1. F.G. Valencia, la masa del top es 173 GeV y la del Higgs 126 GeV (te has equivocado en un factor de 1000). La razón es sencilla, usando colisiones de quarks y gluones es más fácil excitar el campo del quark top que el campo escalar del Higgs (la sección eficaz de producción es unas 10 veces más pequeña). Además, las desintegraciones del top son más fáciles de observar en un colisionador de hadrones (como Tevatron o LHC) que las del Higgs (unas 100 veces más fáciles de observar). Por estas dos razones en 1995 observar un Higgs era imposible en el Tevatron; empezó a ser posible observar el Higgs gracias a mejoras de los detectores a partir del año 2010 y centrado en una masa para el Higgs cercana al doble de la del bosón W (unos 160 GeV).

      Lo masa no es lo más importante. Lo importante es la tasa de producción (que depende de lo que colisiones y a que energía lo colisiones), de en qué se desintegre la partícula (que depende de su tipo) y de las tasas de desintegración en los modos que más destaquen en el fondo de ruido (que no suelen ser los más probables). Además, influye la luminosidad del colisionador (número de colisiones por segundo) y la sensibilidad de los detectores (lo bien que discriminan colisiones «interesantes» de las que no lo son).

      Por todo ello, en el Tevatron, tras 17 años de colisiones a 2 TeV, se observaron unos 150.000 quark tops por experimento y ningún Higgs. En junio de 2012, en el LHC, tras un año con colisiones a 7 TeV y medio año con colisiones a 8 TeV, se habían observado unos 2 millones de quark tops por experimento y unos cien Higgs por detector (que permitieron el descubrimiento).

      Saludos
      Francis

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 23 enero, 2011
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Historia • Physics • Prensa rosa • Science
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