Мог ли LEP II обнаружить бозон Хиггса с энергией 125 ГэВ?

Ограничения эксперимента LEP на массу Хиггса были установлены путем поиска процесса, при котором в результате эксперимента бозон Хиггса был бы произведен вместе с бозоном Z. Наивысшая энергия, которую они получили для пары электрон-позитрон, которая аннигилировала с образованием Z, Хиггса, составила 209 ГэВ, и это было достигнуто только в последние месяцы эксперимента. Поскольку масса Z-бозона составляет 91 ГэВ, бозон Хиггса с самой высокой энергией, который можно было бы получить таким образом, имел бы массу 209-91=118 ГэВ. Часть энергии всегда теряется на то, чтобы заставить Z и Хиггс разойтись друг от друга, поэтому на практике предел, которого они могли достичь, был немного ниже этого, 114 ГэВ. Работая намного дольше и накапливая статистику, они могли бы немного расширить свой охват, возможно, до 116 ГэВ; но не до 124 ГэВ.

Как упомянул @Guy в своем ответе, основные ограничения были установлены с учетом метода производства.$\def\fs#1{\rm e^+e^-\rightarrow #1}\fs{ZH}$. Этот метод производства имеет большое поперечное сечение после достижения порога энергии. Для бозона Хиггса Стандартной модели, обнаруженного на БАК, этот порог составляет около$\sqrt{s}=217~\rm GeV$. Так близко!

Другие методы производства имеют гораздо меньшее поперечное сечение после преодоления этого порога. Но в отличие от$\fs{ZH}$, они все еще могут возникать ниже порога. Поскольку их поперечное сечение мало, LEP II пришлось бы работать довольно долго, чтобы обнаружить бозон Хиггса. Но это можно было сделать.

Резонансное производство

Общий процесс$\rm x\bar x\rightarrow y$получает большое усиление в своем поперечном сечении, если энергия центра масс$\rm x\bar x$очень близко к массе$\rm y$. Для взаимодействия$\fs{H}$, это доводит поперечное сечение производства до примерно$.5~\rm fb$. При такой скорости LEP II мог производить около одного бозона Хиггса каждые два года!

Конечно, с этим есть проблемы. Прежде всего, такой запуск требовал, чтобы экспериментаторы знали массу бозона Хиггса априори . На самом деле запустить машину с точностью, необходимой для использования резонанса Хиггса, было бы сложно. И даже несмотря на все это, открытие бозона Хиггса все равно займет много времени. Таким образом, это не был бы реалистичный метод открытия.

Слияние калибровочных бозонов

В LEP существует еще один важный метод производства бозонов Хиггса, который называется «слияние калибровочных бозонов». Это процесс, в котором электрон и позитрон испускают либо Z-бозон, либо W-бозон, и они сливаются, образуя бозон Хиггса. Итак, один из следующих процессов:

Согласно этой статье , первый из этих двух процессов фактически имеет значительное поперечное сечение при$\sqrt{s}=209~\rm GeV$, около$2~\rm fb$. LEP II на самом деле давал достаточную интегрированную светимость, поэтому вполне вероятно, что он действительно произвел одиночный бозон Хиггса в какой-то момент во время своего запуска. Если бы LEP II проработал достаточно долго, это в конечном итоге стало бы каналом обнаружения.

Однако «достаточно долго» — это долго. Учитывая, что это сечение примерно в 100 раз меньше, чем$\fs{ZH}$становится выше пороговой энергии, и что$\fs{ZH}$вероятно, было бы достаточно для открытия в течение года или двух, по быстрой оценке, потребовалось бы 100 лет, чтобы открыть бозон Хиггса таким образом. (Эта оценка довольно оптимистична, поскольку, несмотря на то, что более продолжительная работа увеличивает мощность сигнала линейно, она также увеличивает фон, поэтому, вероятно, это займет гораздо больше времени). Так что БАК определенно был лучшим вариантом.