Dentro de dos años (abril de 2012), el Tevatron del Fermilab habrá acumulado casi 11 fb^-1 (inversos de femtobarn) de colisiones a 2 TeV (teraelectrónvoltio), mientras que el LHC del CERN habrá acumulado 1 fb^-1 de colisiones a 7 TeV. ¿Qué podemos esperar que se sepa del bosón de Higgs del Modelo Estándar? Si existe y su masa es mayor de 115 GeV y menor de 200 GeV, habrá evidencia de su existencia a 3 sigma en el Tevatron y casi 4 sigma en el LHC (un descubrimiento requiere 5 sigma), luego estará a punto de ser descubierto. En este caso, el LHC continuaría en funcionamiento a 7 TeV durante todo el año 2012 y proclamaría un descubrimiento en 2013. Si no existe un Higgs con masa entre 115 y 200 GeV, lo sabremos gracias al Tevatron y el bosón de Higgs del Modelo Estándar estará descartado. Podría existir un bosón de Higgs muy masivo, entre 200 y 800 GeV, del que poco sabremos. En 2012 el Tevatron será clausurado y el LHC estará en un proceso de actualización que le preparará para colisiones a 14 TeV a partir de 2013. Nos lo ha contado Tommaso Dorigo en Valencia, España, en un seminario organizado por el IFIC (Instituto de Física Corpuscular CSIC/UV), «Present Status and Future Prospects of Higgs Boson Searches at the Tevatron Collider,» 8 de abril de 2010, que nos ha resumido en inglés en su blog como «2012: The Higgs Is Found, Or Ruled Out,» A Quantum Diaries Survivor, April 10th 2010. Me hubiera gustado asistir, pero me ha sido imposible. Os recuerdo que Tommaso es miembro del experimento CDF del Tevatron (Fermilab) y del experimento CMS del LHC (CERN). Permitidme que os resuma en español lo que nos cuenta en su blog, el mejor blog de Física de Partículas que conozco. Por supuesto, antes de nada, os recomiendo su lectura en inglés en el original, mucho más elocuente que yo.

La exclusión de un rango de masas para el bosón de Higgs es mucho más fácil de predecir en los experimentos del Tevatron, perfectamente ajustados hasta el último detalle y que actualmente es capaz de lograr 2 fb^-1 de luminosidad integrada al año, que en el LHC, que está en proceso de ajuste y que se espera logre alcanzar sólo 1  fb^-1 de luminosidad integrada para finales de 2011. La figura de arriba muestra los límites de confianza al 95% para la exclusión del bosón de Higgs para dos valores posibles de su masa, sean 115 y 160 GeV, en función de la luminosidad integrada del experimento. Un valor de R ≤ 1 significa que se excluye (o se podrá excluir) un bosón de Higgs con dicha masa. La figura se ha calculado suponiendo una búsqueda conjunta de los experimentos CDF y DZERO, ambos con la misma luminosidad integrada (el doble (2×) que la de CDF) y que los eventos de fondo no presentan ninguna sorpresa (lo más razonable a priori). El punto negro indica el estado actual, no se excluye un bosón con 115 GeV pero sí uno con 160 GeV, y la línea negra la proyección esperada con los algoritmos de análisis de datos actuales. El sombreado naranja («With improvements») se refiere a posibles mejoras en la sensibilidad que se puedan lograr con las mejoras en los detectores y sobre todo en los algoritmos de análisis e interpretación de datos en los próximos dos años. Como se ve claramente, cuando el Tevatron alcance más de 11 fb^-1 de luminosidad integrada a finales de 2012, es decir, más de 6 fb^-1 en CDF y/o más de 5  fb^-1 en DZero (que es algo menos luminoso), se habrá excluido un bosón de Higgs con masa de 115 GeV. La figura no lo indica, pero por la parte superior del rango de masas, también se habrá excluido un bosón de menos de 180 GeV (en el LHC se habrá excluido hasta 200 GeV). Por supuesto, si el bosón de Higgs no existe en dicho rango de masas, ya que si existiera, habría evidencia (aunque pobre) de su existencia, tanto en el Tevatron como en el LHC. ¿Cuál es la probabilidad esperada de encontrarlo?

La figura muestra la mejor predicción posible de la probabilidad de encontrar un bosón de Higgs en los experimentos del Tevatron (resultado combinado CDF y DZero) en el rango de masas alcanzable, entre 115 y 200 GeV. Las curvas en rojo corresponden a 5 fb^-1 y en azul a 10 fb^-1. Las líneas discontinuas asumen una mejora en los detectores y algoritmos de análisis de datos. Olvidando las líneas discontinuas, sujetas a cierta duda, las líneas continuas muestran que hay una probabilidad del 15% de que el Tevatron descubra al Higgs en 2 años si tiene una masa de 115 GeV. Hay que tener cuidado con este gráfico. En este figura se ha mostrado la probabilidad estimada en teoría para el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar. Por ejemplo, la figura también indica que hay una probabilidad del 25% de que el Higgs haya sido descubierto en enero de 2009 (y que sepamos, públicamente, todavía no se ha descubierto).

¿Se puede extrapolar la luminosidad integrada del Tevatron de aquí a los próximos dos años? Tommaso nos lo ilustra magistralmente con la figura de la izquierda que muestra su luminosidad integrada (CDF+DZero) desde 2002 hasta 2010. Como vemos en los últimos 8 años, extrapolar la luminosidad a dos años vista siempre da un valor pesimista, mucho más bajo del finalmente alcanzado. Por ello, sin temor a equivocarnos podemos asumir que a finales de 2011 se superarán los 1o fb^-1 y se alcanzarán casi los 11 fb^-1 (Tommaso, se lo recuerdo a los que no le conozcan, siempre pone sus pies sobre tierra firme y es poco optimista en sus extrapolaciones). 

El responsable de la financiación del Tevatron, el Departamento de Energía de los EEUU, y en última instancia el gobierno de EEUU, ha planificado que deje de funcionar a finales de 2011, ya que cuesta 200 millones de dólares al año tenerlo funcionando y sobre esa fecha, con el LHC en funcionamiento, la probabilidad de que el Tevatron logre un descubrimiento antes que el LHC es menor del 10%. De hecho, Tommaso nos recuerda que el Tevatron difícilmente superará los 2 fb^-1 de colisiones al año cuando el LHC, mucho más luminoso, debe de alcanzar los 10 fb^-1 al año cuando esté perfectamente ajustado.

Tommaso Dorigo nos ofrece tres posibles escenarios para dentro de dos años. Escenario 1:  no existe el Higgs del Modelo Estándar y sabremos que no existe en el rango de masas de 115 a 200 GeV, gracias al Tevatron de 115 a 180 GeV y gracias al LHC hasta 200 GeV. Escenario 2: existe un bosón de Higgs de masa intermedia, sea 150 GeV; en el LHC se tendrá una evidencia de 4 sigma mientras que en el Tevatron sólo será de 3 sigma; en este caso el LHC no será parado en 2012 y continuará operando a 7 TeV hasta que en 2013 proclame el descubrimiento del Higgs. Escenario 3: existe un bosón de Higgs de masa baja, sea 115 GeV; en el LHC no se observará nada y en el Tevatron se tendrá una señal con una evidencia de 2 sigma (similar a la que se obtuvo con LEP2 en el año 2000). Un bosón de Higgs de 115 GeV será un presa difícil de descubrir que requerirá, como pronto, hasta 2014 para que el LHC a pleno rendimiento, con colisiones a 14 TeV, logre cazarlo al vuelo.

Tommaso acaba recordándonos que los próximos dos años prometen ser muy excitantes en física de partículas.