El 25 aniversario de la primera colisión protón-antiprotón en el Tevatrón del Fermilab

Por Francisco R. Villatoro, el 20 diciembre, 2010. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 6

El 13 de octubre de 1985 se produjo la primera colisión protón-antiprotón en el Tevatrón del Fermilab que fue detectada en el experimento CDF (DØ todavía no existía; la primera colisión que detectó fue el 14 de abril de 1992). Fue una colisión con una energía de 800 GeV en el centro de masas. El 17 de diciembre de 2010 se ha celebrado en el Fermilab su 25 aniversario con una miniconferencia de solo medio día : «25th Anniversary of First pp Collisions at the Tevatron,» Friday, December 17, 2010 [página web Indico]. Las charlas no aportan nada nuevo, pero siempre es interesante recordar y celebrar la buena labor que se ha realizado en el último cuarto de siglo en el Fermilab.

Paul Grannis (Stony Brook), «W and Top Physics,» nos habla del primer gran redescubrimiento del Tevatrón, el bosón W, y de su primer y último gran descubrimiento, el quark top. El bosón W fue descubierto en el CERN, pero sus propiedades han sido obtenidas con precisión gracias al Tevatrón. La figura de arriba muestra el primer resultado de CDF con aproximadamente 1700 eventos, obtenido en 1990, junto al resultado publicado por DZero en 2009, con unos 500.000 eventos. El error en la masa del W pasó de 390 MeV en la primera a solo 43 MeV en la segunda. La figura de abajo muestra el descubrimiento del quark top en DZero con 50/pb y unos pocos eventos y el resultado de CDF en 2009 con 4800/pb y unos 1000 eventos.

Los datos experimentales de precisión combinados de LEP2 y Tevatrón para el bosón W y el quark top, junto a la teoría del modelo estándar, permiten estimar la masa del bosón de Higgs (la elipse azul en la figura de abajo). En la actualidad permiten limitar su masa entre 114’4 y 158 GeV/c², debido a que el error en la masa del bosón W es bastante alto. A finales de 2011, cuando el Tevatrón haya recabado unos 10 /fb de datos para CDF y DZero, se reducirá bastante el tamaño de esta elipse (ver barras de error estimadas en la figura de abajo). Si el centro de la elipse no cambia, se podrá descartar la existencia del bosón de Higgs (del modelo estándar). Seguramente el centro de la elipse se moverá, pero los límites de exclusión para la masa del Higgs se reducirán en gran medida.

Sergo Jindariani (Fermilab), «The Search for the Higgs,» nos relata la tortuosa y aún inconclusa búsqueda del bosón de Higgs en el Tevatrón. El Tevatrón obtuvo su primer límite de exclusión para la masa del Higgs en 1989 (apareción en Phys. Rev. D en 1990): excluía el Higgs del modelo estándar en el intervalo de masas de 0’2 a 1’1 GeV con una certeza del 90% (un límite que hoy nos parece ridículo). Tras 21 años de búsqueda del Higgs han logrado excluir el intervalo de masas de 158 a 173 GeV, que unido a la exclusión del LEP2 de un Higgs de menor masa de 114’4 GeV y a los tests de precisión del modelo estándar, nos permite afirmar que el Higgs del modelo estándar, si existe, tiene una masa entre 114’4 y 158 GeV. Para finales de 2011, con unos 10 /fb de datos,  se espera que la combinación de datos de CDF+DZero permita excluir el bosón de Higgs en todo este intervalo de masas. No es un descubrimiento, pero si el bosón existe no se podrá excluir cierta región de dicho intervalo y la evidencia de su existencia será importante. Si el Tevatrón lograra financiación hasta 2014 (Run III) acabaría obteniendo unos 16 /fb y podría proclamar una evidencia a más de 3σ (un descubrimiento requiere 5σ) en todo el rango de masas del Higgs.

Tras 25 años de colisiones el Tevatrón está en buenas condiciones, pero sus días están próximos a finalizar. Si no se prolonga su financiación, 2011 será su último año de vida. Si se prolonga, será 2014. Más allá, con el LHC del CERN, muchísimo más luminoso, no tiene mucho sentido prolongarlo.



6 Comentarios

  1. Creo recordar que los comentarios de uno de los lectores expertos de este blog decían que el Tevatron y el LHC podrían ser complementarios en la búsqueda del bosón de Higgs. Porque cada uno está mejor dotado para investigar un determinado modo de desintegración. Según se desprende de esta entrada parece que se está muy cerca ya de proclamar el descubrimiento del bosón o bien de descartar su existencia. Si no existiera pondría patas arriba a la comunidad de la física de altas energías. Yo creo que si existirá. Aunque no conozco los detalles matemáticos del modelo estándar parece que es una construcción demasiado soberbia como para ser errónea. Lo que también es impresionante es la supersimetría. Existen libros enteros de descripción precisa sobre este modelo que al fin y al cabo no son más que una predicción detrás de otra. Si resulta que todas estas predicciones son verificadas experimentalmente, estaríamos ante el mayor logro intelectual de la humanidad, i.e., captar la realidad en su nivel fundamental mediante el pensamiento puro. Demasiado bonito, por eso soy escéptico.

    1. El Cid, tienes razón, lo mejor es que Tevatrón y LHC busquen juntos al Higgs, pero hay que ser realistas, el Tevatrón tiene sus días contados… no hay presupuesto.

      Barack Obama ha tenido muchos problemas políticos con su presupuesto federal; el 8 de diciembre se aprobó una congelación «temporal» del presupuesto de 2010 para 2011 (y los republicanos siguen queriendo que se recorte); Estados Unidos tiene un déficit presupuestario de 1’3 billones de dólares.

      «Si no existiera [el Higgs] pondría patas arriba a la comunidad de la física de altas energías. Yo creo que si existirá.» Ya se han encontrado 3/4 partes del bosón de Higgs (los bosones W y Z tienen masa) y no se ha descartado que el 1/4 restante sea un bosón con una masa entre 115 y 120 GeV. Es la región de masas más difícil para el Tevatrón y para el LHC.

      En cuanto a la supersimetría, hay que recordar que la propia teoría predice masas para las superpartículas muy grandes, mucho más allá de lo que podrá observar el LHC. La única razón por la que hay esperanza en encontrar la SUSY en el LHC (y en el Tevatrón) es porque ofrece un buen candidato a materia oscura. Pero si la materia oscura no es una WIMP (y no tiene por qué serlo) la SUSY volverá a su reducto natural, energías millones de veces mayores que las que podrá alcanzar el LHC.

  2. En absoluto, los comités científicos como la HEPAP, de los más importantes del mundo, así como varios Premios Nobeles y Físicos teóricos muy notables, han recomendado la ampliación del Tevatron, por su «complementariedad» con el LHC. El que se amplíe o no, será una cuestión político-económica. Desde el punto de vista científico es muy aconsejable

    Y dejadme comentar también algunos otros descubrimientos esenciales del Tevatron, esta vez con participación muy directa de españoles:
    – las oscilaciones de los mesones Bs- antiBs
    – el descubrimiento del single-top

    1. Albeto, he editado tus comentarios y los unido en uno solo.

      Por otro lado, una pregunta para conocer tu opinión. Si el LHC de CERN en 2025 no ha descubierto la supersimetría, ¿se puede afirmar que la SUSY no se da en la Naturaleza? O más bien al contrario, no pasará absolutamente nada y la SUSY será adaptada para copar con este caso sin mayores problemas…

      1. Hola, ciertamente no es sencillo hacer predicciones al respecto, pero hay que considerar que supersimetría es un término muy amplio e implica una cantidad muy grande de parámetros, por lo que difícilmente podría eliminarse completamente, caso de no observarse experimentalmente.

        Lo que sí se manejan son modelos mínimos de supersimetría, en los que el número de parámetros es reducido enormemente y dónde los valores más probables se obtienen como consecuencia de los resultados obtenidos hasta la fecha , que, combinados adecuadamente, nos dan las predicciones sobre cual y como sería más fácil observar o excluir partículas supersimétricas. La combinación se realiza tanto con los datos obtenidos en experimentos con aceleradores como con datos de esperimentos en astropartículas, etc…

        En todo caso, yo creo que LHC si que observará, al menos, indicios de nueva física y definirá el camino a seguir para ahondar en el conocimiento de la materia, eliminando muchos de los posibles escenarios que hay abiertos actualmente.

        Y si,para 2025, no hay rastro de supersimetría, posiblemente si que se hayan tenido rastros de por donde dirigir la investigación. Esta dirección podría ser diferente a la que, hoy en día, es la más aceptada entre los fisicos de partícula, la supersimetría.

        El tiempo nos dirá. Eso es lo bonito de la investigación, que no sabemos los resultados que nos depara..

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