¿Y para qué tanto? La respuesta es sencilla: Para producir partículas cada vez más pesadas (eso tan famoso de la energía y la masa). El Higgs, por ejemplo, tiene una masa superior a los 114.4 GeV con un nivel de confianza del 95%, según las cotas del LEP (electrón - positrón, CERN), y la región entre 160 y 170 GeV está excluida por los datos de Tevatron (Protón - Antiprotón, FermiLab), incluso, posiblemente, podrían producirse partículas supersimétricas, en teoría mucho más pesadas que las partículas del modelo estándar, que podrían explicar la presencia de materia oscura en el universo.
La forma en la que se comportan las partículas elementales es un tanto curiosa y se debe a los efectos cuánticos a esta escala. Una colisión protón-protón como las que se producirán en los detectores del LHC puede producir cientos de eventos distintos cada uno con cierta probabilidad de ocurrir, cuantificada a partir de la sección eficaz de interacción para cada proceso. Como al aumentar la energía aumentamos la región de masas a explorar, seremos capaces de observar picos de resonancias centrados en torno a una masa, que evidencien que, con una estadística suficientemente alta, se producen partículas cuya masa será la media del pico observado, que normalmente es ajustable a una gaussiana.
Por ejemplo, la producción de bosones de Higgs podría, siempre teóricamente, llevarse a cabo mediante la fusión de bosones vectoriales según el acoplo
Los bosones vectoriales se obtendrían a partir de las interacciones electrodébiles entre los quarks que forman el protón.
Este Higgs decaería en otras partículas que serían detectadas en los calorímetros o las estaciones de muones de los detectores y sus energías medidas con gran precisión. Como ejemplo, el Higgs podría decaer en dos fotones según los siguientes acoplos
Estos fotones serían detectados por el calorímetro electromagnético y sus energías medidas con gran precisión. Según la relatividad especial, estas energías pueden expresarse como
Puesto que los fotones no tienen masa. La masa puede expresarse a partir de la expresión anterior como (en unidades de c=1)
Y como la energía y el momento total deben conservarse en cada proceso (conservación del cuadrimomento), la llamada masa invariante, definida para los dos fotones como
Debe también conservarse en la colisión, así que la masa invariante de los dos fotones debe ser igual a la masa del Higgs. Nótese que aunque los dos fotones no tengan masa y por tanto, para ellos E=p, esta cantidad no es siempre 0, debido a que las direcciones de los dos fotones no son las mismas, y usando la definición del producto escalar, llegamos a
Entonces, midiendo esta cantidad para los dos fotones (es decir, las energías de ambos y el ángulo que forman sus trayectorias), podemos hacernos un histograma de todos los eventos que tienen una masa invariante en un cierto rango. Sería aquí donde observaríamos un pico que evidenciaría la presencia de una nueva partícula. Las simulaciones de Monte Carlo para el proceso de decaimiento de un Higgs en dos fotones dan el siguiente espectro, supuesta una masa del Higgs de 130 GeV
El pico muestra que a 130 GeV se producen eventos por encima del nivel de background (en amarillo) de producción de fotones. Esto significa que hay una partícula nueva con una masa de 130 GeV que produce este "exceso" de fotones con esa masa invariante.
Y así se haría con todos los posibles procesos, se buscarían los estados finales que convengan según los acoplos del modelo estándar, se mediría la masa invariante de los productos (otro ejemplo serían 4 leptones procedentes del decaimento H->ZZ->e-e+mu-mu+) y se obtendría el espectro, que si muestra un pico fuera de las masas conocidas, hará a los físicos del LHC un poquito más felices.
El martes empezarán a verse los primeros eventos, que pueden producir los primeros Higgs que serán accesibles al cabo de unos cuantos meses, cuando la estadística sea favorable.
Ya os contaré...
