¿Por qué el bosón de Higgs se crea con tan poca frecuencia en el colisionador del CERN?

El modelo estándar predice que los bosones de Higgs podrían formarse de varias maneras, pero siempre se espera que la probabilidad de producir un bosón de Higgs en cualquier colisión sea muy pequeña. Si hace algunas suposiciones, puede estimar la tasa. Entonces, basado en la tasa de producción en el LHC que opera a 7 TeV. La sección transversal total para producir un bosón de Higgs en el LHC es de aproximadamente 10 picobarn, mientras que la sección transversal total para una colisión protón-protón es de 110 milibarn. Esto haría solo 1 bosón de Higgs por cada 10 mil millones de colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones. El resto es fondo. Incluso después de que el CERN haga su mejor análisis de una colisión específica, podría decidir que había un 10% de posibilidades de que realmente fuera un bosón de Higgs.

La clave para el descubrimiento es recopilar suficientes datos para que haya muchas colisiones, cada una con una pequeña probabilidad de tener un bosón de Higgs en ellas. Luego, mediante un análisis estadístico, el CERN puede determinar la presencia del bosón de Higgs.

Además de las otras respuestas, tenga en cuenta que la energía de colisión nominal se alcanza solo en una minoría de colisiones, ya que los dos protones tendrán que chocar realmente de frente; la mayoría de las veces la colisión ocurre entre "quarks marinos" que transportan una fracción menor de la energía.

Una cosa que algunas respuestas indican, pero no explícitamente, es el hecho de que los protones son partículas compuestas, y la escala de energía del LHC (7 TeV) corresponde a una escala de longitud mucho más pequeña que un protón (200 MeV).

La vista más simple de un protón es una bolsa de 1,7 fm (diámetro) con 3 quarks que no interactúan atrapados en su interior. Tras una inspección más cercana, puede agregar quarks marinos y gluones. Colectivamente, estas cosas se llaman partones. Hay una variable cinemática llamada Bjorken-$x$, que puede interpretarse como la fracción del momento del protón transportado por un partón.

El protón es luego descrito por una estructura de funciones. Cada quark de valencia tiene una función de estructura, al igual que los quarks marinos y los gluones, como se muestra aquí (con ponderación de momento):

Entonces, cuando colisionan dos protones de 7 TeV, puede pensar que colisionan 2 bolsas de partones con el impulso distribuido en consecuencia: la mayoría de los partones son "suaves" (en pequeños$x$); además, la sección transversal de la partícula puntual cae al aumentar la energía, de modo que dominan las colisiones de baja energía.

Muy pocas colisiones extraen ambos partones del$x \rightarrow 1$parte de la distribución, donde puedes usar la energía del haz completo, y aún menos de ellos son difíciles. Esta es la razón por la cual la gente quiere construir una próxima generación$e^+e^-$colisionador, donde cada colisión tiene la energía del haz completo y las energías de las partículas entrantes se conocen (muy bien), a priori.

La probabilidad de producir una partícula X específica en la colisión de aplicaciones se puede calcular matemáticamente. Depende en gran medida de las constantes de acoplamiento (la fuerza de la interacción), los posibles productos de descomposición de cada producción específica y la conservación/contabilidad de los números cuánticos. Una colisión de protones de protones es tres quarks en tres quarks, la energía de la producción disminuye porque los cálculos comienzan con (qq) (qg) y dispersión gg. La probabilidad es baja porque lo más probable que suceda en tal dispersión es una interacción fuerte que decaiga a través de la interacción fuerte creando más quarks y gluones.

Para profundizar un poco más en los detalles, observe cómo se espera que vaya la sección transversal de producción de Higgs en el modelo estándar, para la interacción más fuerte, la del pegamento.

De la introducción:

En este informe calculamos en detalle la sección transversal o el proceso de producción de Higgs

$$g g \to H \,. \tag{1}$$

en el orden más bajo, asumiendo el modelo estándar. Este proceso de orden más bajo procede a través de un bucle de quark superior entre los gluones y la partícula de Higgs.

Aunque en principio todos los quarks deben incluirse en el bucle, en la práctica la restricción al quark top es suficiente porque el Higgs se acopla unas 35 veces más fuerte con el quark top que con el siguiente fermión más pesado, el quark bottom, arrendando a un quark relativo supresión de la contribución inferior por un factor de 35.