https://www.youtube.com/watch?v=_s3i_XFfW6Y
«Drowning by numbers» (ahogándose en números) es una película de Peter Greenaway (uno de los directores de cine británicos que más me gusta) y una banda sonora de Michael Nyman (un crítico musical que se convirtió en músico minimalista y alcanzó fama mundial). ¡Qué mejor banda sonora para ahogarse en números comparando el Tevatrón y el LHC! ¿Con qué LHC? Lo suyo es comparar el Tevatrón del Fermilab con sus colisiones protón-antiprotón a 2 TeV, con tres configuraciones diferentes del LHC del CERN, es decir, con colisiones protón-protón a 7, 10 y 14 TeV. Quien mejor para hacerlo que el genial Chris Quigg, «LHC Physics Potential vs. Energy,» ArXiv, 25 Aug 2009 [página web].
Para abrir boca: ¿a qué velocidad van los protones en el Tevatrón y en el LHC? En el Tevatrón los haces de protones de 980 GeV alcanzan una velocidad vp = c – 495 km/h (recuerda que c es la velocidad de la luz ≈ 109 km/h) y en el LHC a máxima potencia los haces de protones de 7 TeV alcanzarán una velocidad vp = c – 10 km/h.
Hay que recordar algo que ya hemos dicho en muchas ocasiones en este blog. A alta energía un haz de protones (o antiprotones) es, en esencia, un haz de quarks, antiquarks y gluones, colectivamente llamados partones. Cuando se observa una colisión entre dos haces, en realidad lo que se producen son una (muy pocas veces varias) colisiones de partones. En el Tevatrón colisionan dos haces, uno de protones y otro de antiprotones, cada uno con una energía en su centro de masas de casi 1 TeV, luego la energía de colisión entre estas partículas en el centro de masas, sea √s, es de casi 2 TeV. Sin embargo, los dos partones que colisionan lo hacen con una energía en su centro de masas, sea √sp, mucho más pequeña. Mucho más pequeña.
Para comparar dos instalaciones científicas tan diferentes como el Tevatrón y el LHC, Quigg nos indica que lo mejor es comparar su luminosidad para diferentes colisiones de partones en función de la energía √s. Su artículo presenta gran número de curvas de luminosidad estimada para colisiones de partones en función de su energía √sp (en la figuras 
De todas formas, permitidme copiar una de ellas, a la izquierda, la luminosidad de las colisiones gluón-gluón (gg) en función de su energía √sp. La curva verde (2 TeV) corresponde al Tevatrón. Las curvas celeste (7 TeV), roja (10 TeV) y negra (14 TeV) corresponden al LHC. La gráfica muestra que una colisión con √sp ≈ 1 TeV entre dos gluones es un millón de veces más probable en el LHC a √s ≈ 14 TeV que en el Tevatrón a √s ≈ 2 TeV. Además, muestra que una colisión gg a 20 GeV en el LHC a 14 TeV es un millón de veces más probable que una colisióna 1 TeV. Comparando la gráfica correspondiente a la colisión entre dos quarks (qq) se observa que una colisión con √sp ≈ 1 TeV entre dos quarks para el LHC es sólo mil veces más probable que en el Tevatrón. De hecho esto lo podemos ver también en la figura de luminosidad para gg. La energía característica para la producción de un par de quarks top, tt, es √s ≈ 0’4 TeV, para la que la luminosidad de la colisión gg es mil veces mayor mayor en el Tevatrón a 2 TeV que en el LHC at 14 TeV, y sólo 150 y 400 veces mayor que en el LHC a 7 y 10 TeV, respectivamente. Es decir, el LHC produce más pares de quarks top que el Tevatrón gracias a procesos de tipo gg → tt. De ahí proviene la famosa máxima: El Tevatrón es un colisonador de quarks y el LHC es un colisionador de gluones.
El mecanismo dominante para la producción de un bosón de Higgs ligero tanto en el Tevatrón como en el LHC es la colisión de dos gluones. Sorprende que así sea porque los gluones son partículas sin masa. Sin embargo, gracias a la fuerza fuerte (cromodinámica cuántica) esta colisión de gluones puede producir un bucle de quarks top, que sí tienen masa, uno de los cuales puede desintegrarse en un Higgs. La luminosidad de la desintegración gg → (quarks top) → H, depende de la masa del bosón de Higgs. Para una masa MH ≈ 120 GeV/c², suponiendo que la luminosidad de la colisión gg para el Tevatrón a 2 TeV es 1, para el LHC a 7, 10 y 14 TeV es, respectivamente, 20, 38 y 70 veces mayor. Escribiremos esto como (1; 20, 38, 70) para √s = (2; 7, 10, 14) TeV. Para un Higgs más masivo, sea MH ≈ 175 GeV/c², la luminosidad para la colisión gg será de (1; 30, 65, 130). Más aún, la luminosidad para la producción de bosones W será (1; 4’4, 6’4, 9) para √s = (2; 7, 10, 14) TeV. Esto es bueno para la búsqueda de un Higgs de masa intermedia, sea MH ≈ 175, en el LHC respecto al Tevatrón. Para dicha masa la desintegración típica del Higgs es H → ZZ, que deberá ser diferenciada del ruido de fondo, procesos qq to VV, con V = W, Z. Para √sp ≈ 175 GeV, la relación señal/ruido para el LHC es (1; 4’8, 7’3, 10’7) para √s = (2; 7, 10, 14) TeV.
El LHC batirá claramente al Tevatrón en lo que respecta a la producción de partículas con energía próxima a 1 TeV. Por ejemplo, la tasa de producción de bosones vectoriales W′, bosones que se acoplan al modelo estándar a través del isospín, suponiendo MW′ = 0’8 TeV, es de (1; 30, 70, 120) para √s = (2; 7, 10, 14) TeV. Para un bosón fuera del alcance del Tevatrón, con MW′ = 2 TeV es de (1,3, 17) para √s = (7, 10, 14) TeV.
En resumen, ¿qué significan estos números? Básicamente que el LHC es un máquina mucho más poderosa (luminosa) que el Tevatrón, pero trabajando a 7 TeV durante un año, sólo logrará «reproducir» los resultados ya obtenidos para energías menores a 0’2 TeV. Sin embargo, explorará una región de energías más altas, cercanas a un 1 TeV que está fuera de los límites del Tevatrón. Quizás un año es poco tiempo para encontrar algo en dicha región, pero quien sabe, lo mismo hay suerte.
Para los interesados en la búsqueda del bosón de Higgs, ¿cuándo superará el LHC la capacidad de detección del Higgs que tiene el Tevatrón en la actualidad? Para la desintegración más prometedora, la cadena gg → H → ZZ, la luminosidad integrada (acumulación de datos con el tiempo) del Tevatrón alcanzaba en septiembre de 2009 (fecha del artículo de Quigg) los 6 fb-1. El LHC alcanzará la misma capacidad de detección con una luminosidad integrada mucho menor, de sólo 200, 90 y 45 pb-1 para 7, 10 y 14 TeV. Como el LHC funcionará a 7 TeV hasta que se alcance 1 fb-1 de luminosidad integrada, podemos afirmar que si el Tevatrón dejara de funcionar hoy, hay cinco veces más probabilidad que el LHC encuentre el Higgs que el Tevatrón, pero como parará cuando tenga unos 12 fb-1, el LHC sólo tiene dos veces más probabilidad que el Tevatrón de encontrar al Higgs. Cara o cruz. Afortunadamente, la moneda ya está lanzada… sabremos el resultado en diciembre de 2011.
https://www.youtube.com/watch?v=3GNMwepKFsc
“El Tevatrón es un colisonador de quarks y el LHC es un colisionador de gluones.” Esta es muy buena, pero muy buena. Me la apunto. Nos volveremos en encontrar sobre este asunto de aquí a unos cuantos años. Esta famosa máxima es tan suculenta que no he podido resistir a comentarla con un enfoque de corte histórico-sicológico-filosófico. En el pasado, la iglesia se dedico a elucidar si los ángeles tenían sexo o no, sin cuestionar su existencia. Quedaba patente de que si. Hoy día ciertos teóricos le han tomado el relevo. Deliberan sobre los pormenores de los quarks, gluones y bosones de Higgs, dando por asumida su existencia. Esto durara hasta que el globo hinchado de intereses establecidos aguante. Pero que pasara cuando la gallina de los huevos de oro deje de poner, o sea, cuando las colisiones no produzcan nada con que ilusionarse, y que el contribuye deje de ver todo este tinglado como algo que valga la pena. Pues cuando fallen las subvenciones, de repente dejaran de existir quarks, gluones, bosones de Higgs y cualquier otra partícula alucinógena. Claro que esto tardara un tanto, porque lo que si tienen son los cabos bien atados. A base de divulgación nos han entretenido secuencialmente con una variedad de historietas: que nos van a explicar la creación del Universo, el origen de la masa mediante la partícula de Dios, y ahora que el Tevatrón es un colisionador de quarks y el LHC es un colisionador de gluones. Pero que sabios llegan a ser. Y no cabe duda que nos deleitaran con mas episodios jugosos. No hay como buenas alucinaciones a base de ingrediente matemático. Si lo dice la matemática, quien se atreve a llevarle la contraria. La estrategia consiste en “dar la misa en latín”, o sea, hoy día en matemática encriptada para el creyente. Cuanto menos se entiende mas mágico aparece todo, y de eso se trata. No pocos físicos teóricos modernos se han vuelto adictos a la especulación matemática, claro esta, siguiéndole el juego a la cúpula subvencionadora. Esta actitud no puede ser buena, y al igual que la especulación económica, generara una perdida de confianza que en este caso acabara produciendo una crisis cognitiva muy poco propicia para la física teórica. Quién avisa no es traidor. “¡A mi me parece que me tienen un cuajo!”