¿Cuáles son las ventajas del ILC sobre el LHC?

A menudo se dice que un colisionador de hadrones como el LHC se usa para descubrir, mientras que un colisionador de electrones se usa más bien para mediciones de precisión. Hay un par de beneficios de un colisionador de electrones de alta energía:

• Todos los electrones tienen aproximadamente la misma energía. Se puede variar la energía del centro de masa$\sqrt{s}$y trazar resonancias (piense$ee\rightarrow Z$o$J/\psi$). Compare esto con el LHC, que en realidad es en cierto sentido un colisionador gluón-gluón. Los gluones en los protones tienen energías muy variables (la probabilidad de una determinada energía viene dada por las funciones de distribución de partones), por lo que nunca se sabe con qué energía chocan las partículas. Estás probando todas las energías hasta 7 TeV al mismo tiempo, de alguna manera. Peor aún, la mayoría de las veces sus partículas de estado inicial tienen diferentes momentos en la dirección del haz, por lo que todo su sistema se impulsa a lo largo del haz. Estos efectos difuminan y cambian sus distribuciones, por ejemplo, si desea medir la masa invariable de algo. Esta es la razón por la que usamos variables transversales en los colisionadores de hadrones: no hay un impulso inicial en la dirección transversal (perpendicular a la línea del haz).

• Relacionado con lo anterior, en algunas búsquedas de nuevas partículas se pueden ver bonitos bordes de masa en un colisionador de leptones. Ocurren cuando tienes una cadena que se descompone, digamos$\tilde\chi^0_2 \rightarrow \tilde\chi^0_1 + Z \rightarrow \tilde\chi^0_1 + \ell^+ \ell^-$. La distribución de masa invariante de los pares de leptones se eleva hasta el punto$\Delta m = m(\tilde\chi^0_2) - m(\tilde\chi^0_1)$donde toda la energía del decaimiento de la cadena es transportada por los dos leptones y nada por el neutralino, y luego cae repentinamente. También puede buscar bordes de masa en el LHC, pero estarán más difuminados.

• Como dijiste, las colisiones son 'más limpias'. No hay chorros de restos de protones, por ejemplo. Muchos fondos simplemente no existen allí, y si estás corriendo cerca de la energía de una resonancia interesante, obtendrás muchos eventos de señal.

Sin embargo, a las energías del ILC todavía se producirán muchos jets. Además, el ILC tendrá una luminosidad bastante alta, por lo que también tendrán que lidiar con múltiples eventos simultáneos. Y luego, hay problemas completamente nuevos. Después de que el haz de electrones se enfoca en el punto de colisión, diverge rápidamente detrás de él porque los electrones se repelen entre sí. La parte del detector más cercana a la línea del haz estará "cegada" de todos los electrones ("beamstrahlung"). Si observa los gráficos de datos frente al fondo de las simulaciones de ILC, verá que el fondo inducido por el haz se dispara a altas$\eta$, en pequeños ángulos con respecto al haz. Parece que esto se puede controlar, pero sigue siendo un desafío para los diseñadores y analizadores de detectores.

Es muy probable que los experimentos del LHC observen de manera concluyente el bosón de Higgs pronto. Pero entonces todavía no sabemos qué bosón de Higgs es: ¿el modelo estándar u otro con propiedades diferentes? En el MSSM (una teoría supersimétrica), hay cinco bosones de Higgs, dos de los cuales están cargados. ¿Y cuál es la masa exacta (masas)? Eventualmente podremos responder estas preguntas en el LHC con muchos datos, pero podemos hacerlo de manera más precisa con una herramienta especial como el ILC. Lo mismo no solo aplica para el Higgs, sino también para otras nuevas físicas, como SUSY, dimensiones extra, o cualquier otra cosa que haya por descubrir.