¿Podría LEP II haber descubierto un Higgs de 125GeV?

Los límites del experimento LEP sobre la masa de Higgs se establecieron buscando un proceso en el que el experimento hubiera producido un bosón de Higgs junto con un bosón Z. La energía más alta que lograron para el par electrón-positrón que se aniquiló para formar Z,Higgs fue de 209 GeV, y eso solo se logró en los últimos meses del experimento. Dado que la masa del bosón Z es de 91 GeV, el bosón de Higgs de mayor energía que podría producirse de esta manera tendría una masa de 209-91 = 118 GeV. Parte de la energía siempre se pierde al hacer que Z y Higgs se separen entre sí, por lo que en la práctica el límite que podían alcanzar era un poco más bajo que esto, 114 GeV. Al correr mucho más tiempo y acumular estadísticas, podrían haber extendido un poco su alcance, quizás a 116 GeV; pero no a 124 GeV.

Como mencionó @Guy en su respuesta, los límites principales se establecieron en función del método de producción.$\def\fs#1{\rm e^+e^-\rightarrow #1}\fs{ZH}$. Este método de producción tiene una gran sección transversal una vez que se alcanza un umbral de energía. Para el modelo estándar de Higgs descubierto en el LHC, este umbral es de aproximadamente$\sqrt{s}=217~\rm GeV$. ¡Tan cerca!

Otros métodos de producción tienen una sección transversal mucho más pequeña una vez que se pasa este umbral. Pero a diferencia$\fs{ZH}$, aún pueden ocurrir por debajo del umbral. Dado que su sección transversal es baja, LEP II tendría que funcionar durante bastante tiempo para detectar el bosón de Higgs. Pero se podría haber hecho.

Producción resonante

Un proceso genérico$\rm x\bar x\rightarrow y$recibe una gran mejora en su sección transversal si el centro de energía de masa de$\rm x\bar x$está muy cerca de la masa de$\rm y$. Para la interacción$\fs{H}$, esto lleva la sección transversal de producción hasta alrededor de$.5~\rm fb$. ¡A ese ritmo, LEP II podría haber producido alrededor de un bosón de Higgs cada dos años!

Por supuesto, hay problemas con esto. En primer lugar, correr así habría requerido que los experimentadores conocieran la masa de Higgs a priori . En realidad, sería difícil hacer funcionar la máquina con la precisión requerida para aprovechar la resonancia de Higgs. E incluso con todo eso, aún llevaría mucho tiempo descubrir el bosón de Higgs. Así que este no habría sido un método realista de descubrimiento.

Fusión de bosones de calibre

Hay un método de producción de Higgs más significativo en LEP, llamado "fusión de bosones de calibre". Este es un proceso en el que el electrón y el positrón emiten cada uno un bosón Z o un bosón W, y los dos se fusionan para formar un bosón de Higgs. Entonces, uno de los siguientes procesos:

De acuerdo con este documento , el primero de estos dos procesos en realidad tiene una sección transversal significativa en$\sqrt{s}=209~\rm GeV$, acerca de$2~\rm fb$. LEP II en realidad entregó suficiente luminosidad integrada por lo que es bastante probable que realmente haya producido un solo bosón de Higgs en algún momento durante su ejecución. Si el LEP II hubiera funcionado lo suficiente, este habría sido eventualmente el canal de descubrimiento.

Sin embargo, "lo suficientemente largo" es mucho tiempo. Dado que esta sección transversal es unas 100 veces menor que$\fs{ZH}$se vuelve más allá del umbral de energía, y eso$\fs{ZH}$probablemente habría sido suficiente para el descubrimiento dentro de uno o dos años, una estimación rápida es que habría tomado 100 años descubrir el Higgs de esta manera. (Esta estimación es bastante optimista, ya que aunque correr más tiempo aumenta la intensidad de la señal de forma lineal, también aumenta el fondo, por lo que es probable que tarde mucho más). Entonces, el LHC fue definitivamente una mejor manera de hacerlo.