VI Carnaval de Física: Lo que nos dirá el LHC del CERN sobre la masa del bosón W

Por Francisco R. Villatoro, el 22 abril, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Physics • Science ✎ 2

Tenía preparado otro borrador para el VI Carnaval de Física, organizado por Gerardo Blanco responsable de Últimas Noticias del Cosmos. Permitidme que la publique aunque no esté acabada del todo…

La masa de los bosones vectoriales W y la masa del quark top son claves para cualquier test de precisión del Modelo Estándar, como por ejemplo, estimar la masa del bosón de Higgs. Sin embargo, obtener un valor muy preciso de dichos parámetros es muy difícil. La figura muestra la evolución de los límites experimentales para la masa del bosón vectorial W desde su descubrimiento hasta el año pasado. El mejor límite actual ha sido obtenido en el Tevatrón del Fermilab y tiene una incertidumbre de ±31 MeV/c² sólo ligeramente mejor que el valor obtenido en el LEP-II del CERN, ±31 MeV/c². El límite teórico de esta incertidumbre en el Tevatrón es de ±15 MeV/. ¿Cuánto podrá mejorar el LHC esta incertidumbre? Las estimaciones teóricas indican que será muy difícil que el LHC a máxima energía logre bajar la incertidumbre por debajo de los ±10 MeV/c². Para bajar este valor se requiere conocer en detalle la distribución de partones (quarks y gluones) dentro de un hadrón (protón en el LHC) algo extremadamente difícil de conocer dada la gran complejidad de estas partículas. Nos lo cuentan M.W. Krasny, F. Dydak, F. Fayette, W. Placzek, A. Siodmok, “ΔM_W < 10 MeV/c^2 at the LHC: a forlorn hope?,” ArXiv, 15 Apr 2010. Por cierto, la figura está extraída de Zachary Marshall, “Being Careful,” US LHC Blog, 10 Apr 2010.

Puede parecer sorprendente que el Tevatrón tras 8 años no haya mejorado casi nada la incertidumbre de la masa del bosón W obtenida por el LEP-II y que el LHC incluso a máxima energía no podrá mejorarla mucho más allá de un factor de dos, pero estos datos son un claro indicativo de lo complicado que es la interpretación y análisis de los datos experimentales en física de partículas elementales.

Estos datos también nos informan de la gran diferencia que hay entre aceleradores de leptones (como LEP) y aceleradores de hadrones (como Tevatrón y LHC). Los leptones son partículas elementales y sus colisiones son “limpias.” Todo lo contrario pasa con los hadrones que son partículas compuestas y sus colisiones son muy “sucias.” Separar la señal del ruido, el alfiler de la paja, es mucho más difícil en los aceleradores de hadrones que en los aceleradores de leptones. Entonces, ¿por qué el Tevatrón y el LHC son aceleradores de hadrones? El problema es la radiación sincrotrón que emite una partícula cargada cuando se mueve en una trayectoria circular. La energía perdida por radiación sincrotrón depende directamente de la energía de las partículas aceleradas y del campo magnético aplicado, e inversamente de su masa. En el LEP 2 electrones y positrones colisionaban con una energía en el centro de masas de 207 GeV. La potencia total perdida por radiación sincrotrón para cada haz se estimaba en unos 1,5 kW. En el LHC a máxima energía haces de protones colisionarán a una energía en el centro de masas de 14 000 GeV con una potencia total perdida del orden de 4 kW. La razón es la diferencia de masas entre un electrón y un protón, 1823 veces más pesado. Sería inviable que en el LHC colisionaran electrones y positrones a 14 TeV en el centro de masas. Los grandes aceleradores de leptones deben ser aceleradores lineales, para eliminar las pérdidas por radiación sincrotrón. 

¿Cuál es la energía más alta que se puede observar en las colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV? Podría parecer que en el LHC podemos generar partículas con una masa de varios TeV pero no es así. Como los protones están formados por quarks y gluones (colectivamente llamados partones) la energía del protón se reparte entre sus constituyentes y las colisiones partón-partón (o sea, quark-quark, quark-gluón y gluón-gluoón) involucran sólo una parte de la energía del protón. Si los tres quarks de valencia que constituyen el protón se reparten por igual la mitad del momento del protón (<x> = 1/6 ) se requieren una energía de colisión protón-protón en el centro de masas de √s = 6 TeV para lograr una colisión quark-quark de al menos √s = 1 TeV. Por ello, en el LHC a 7 TeV en el mejor caso podemos esperar observar colisiones que involucren poco más de 1 TeV y no podemos esperar que se produzcan partículas con una masa en reposo superior a 1 TeV. Nos lo cuenta magistralmente Chris Quigg, “Hadron Collider Physics: Present and Future,” 1999.



2 Comentarios

    1. Ciertamente es mejor poner leptones. Lo cambiaré, ya que no tiene sentido colisionar otro tipo de fermiones (los quarks no se pueden aislar fuera de los hadrones).

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