Tekmovanje med Tevatronom in LHC

Tekmovanje med Tevatronom in LHC se resnično ogreva. Še posebej je tekma vroča pri odkrivanju higgsovega delca. Zakaj? Zato, ker je higgsov bozon relativno lahek, po vsej verjetnosti z maso nekje med 114 GeV (spodnja meja iz prejšnjih eksperimentov na trkalniku LEP) ter okoli 140 do 150 GeV (1 GeV je približno masa protona). Tako Tevatron kot LHC opazujeta trke protonov pri precej višjih energijah, tako da imata oba možnost za odkritje.

Na konferenci v Moriond prejšnji teden je kolaboracija Tevatron med drugim predstavila tudi zanimivo projekcijo o tem, kolikšne možnosti imajo v tekmi zmagati. Ker obvladuje fiziko delcev kvantna mehanika, so vsi procesi tu nakjlučni, saj je pač kvantna mehanika v sami osnovi naključna. Pri eksperimentih tako merimo različne dogodke, predvsem pa verjetnost s katero so se zgodili. Za to, da lahko govorimo o odkritju higgsovega bozona, torej moramo pokazati, da z zelo veliko verjetnostjo ne bi dobili enakih rezultatov le zaradi drugih naključnih procesov. Da bi šlo torej le za “zmoto” oz. “statistično fluktuacijo”.

O “odkritju” tako govorimo, ko je verjetnost za zmoto “5-sigma” (ko je verjetnost manjša kot 6×10^-7). O “dokazu” za higgsov bozon, pa bi govorili, če je verjetnost za zmoto manjša kot “3 sigma” (verjetnost, da je to le statistična fluktuacija je manjša kot 0.0026). Na Tevatronu skorajda nimajo možnosti za 5-sigma odkritje pri majhnih masah higgsovega bozona, so pa precej kompetitivni pri iskanju 3-sigma dokaza. Kako kompetitivni? To pove spodnja slika.

Na njej je na x-koordinati nanesena massa higgsovega bozona v GeV, na y-koordinati pa verjetnost za 3-sigma odkritje. Na grafu sta dve črti, rdeča za število trkov protonov, ki so jih sproducirali na Tevatronu do sedaj, in modra črta za število trkov protonov, ki jih bodo nabrali do leta 2011 (takrat, ko se ugasne LHC za enoletno popravilo). Na levi strani tudi vidimo šrafirano območje, ki označuje pri katerih masah je higgsov bozon izključil stari cernovski trkalnik LEP.

Kako torej brati gornji graf? Recimo, da je masa higgsovega bozona v resnici 140 GeV. Potem ima Tevatron letos 10% možnosti, da ga odkrije (to je, da dobi “3-sigma” dokaz o njegovem obstoju). L. 2011 pa ima 30% možnosti, da ga odkrije. Če bi bila masa higgsovega bozona pri 160 GeV, bi bila nasprotno možnost za odkritje skoraj 100%.* Tevatron torej z nekaj sreče lahko odkrije higgsa pred LHC. Še posebej, ker so tovrstne projekcije z letnicami mogočega odkritja trenutno za LHC še zelo negotove – morda bo pospeševalnik deloval bolje ali slabše, kot sedaj predvidevamo.

* V resnici za higgsa ravno zaradi Tevatrona vemo, da nima mase okoli 160 GeV, saj na Tevatronu ne vidijo nobenih znakov za higgsa s to maso, čeprav bi jih v tem primeru že morali.