Könnte LEP II einen 125GeV Higgs entdeckt haben?

Die Grenzen des LEP-Experiments für die Higgs-Masse wurden durch die Suche nach einem Prozess festgelegt, bei dem das Experiment ein Higgs-Boson zusammen mit einem Z-Boson produziert hätte. Die höchste Energie, die sie für das zu Z,Higgs vernichtende Elektron-Positron-Paar erreichten, betrug 209 GeV, und das wurde erst in den letzten Monaten des Experiments erreicht. Da die Masse des Z-Bosons 91 GeV beträgt, hätte das energiereichste Higgs-Boson, das auf diese Weise erzeugt werden könnte, eine Masse von 209-91=118 GeV. Ein Teil der Energie geht immer verloren, wenn man Z und Higgs dazu bringt, sich voneinander zu entfernen, also war die Grenze, die sie erreichen konnten, in der Praxis etwas niedriger, 114 GeV. Indem sie viel länger liefen und Statistiken sammelten, hätten sie ihre Reichweite ein wenig erweitern können, vielleicht auf 116 GeV; aber nicht auf 124 GeV.

Wie @Guy in seiner Antwort erwähnte, wurden die Hauptgrenzen bei der Herstellungsmethode festgelegt$\def\fs#1{\rm e^+e^-\rightarrow #1}\fs{ZH}$. Diese Herstellungsmethode hat einen großen Querschnitt, sobald eine Energieschwelle erreicht ist. Für das Standardmodell Higgs, wie es am LHC entdeckt wurde, liegt diese Schwelle bei ungefähr$\sqrt{s}=217~\rm GeV$. So nah!

Andere Herstellungsverfahren haben einen viel kleineren Querschnitt, sobald diese Schwelle überschritten wird. Aber nicht wie$\fs{ZH}$, sie können noch unterhalb der Schwelle auftreten. Da ihr Wirkungsquerschnitt gering ist, müsste LEP II ziemlich lange laufen, um das Higgs-Boson nachzuweisen. Aber es hätte getan werden können.

Resonante Produktion

Ein generischer Prozess$\rm x\bar x\rightarrow y$erhält eine große Verstärkung in seinem Querschnitt, wenn die Schwerpunktsenergie von$\rm x\bar x$ist sehr nah an der Masse von$\rm y$. Für die Interaktion$\fs{H}$, das bringt den Produktionsquerschnitt ganz nach oben auf rund$.5~\rm fb$. Bei dieser Rate hätte LEP II alle zwei Jahre etwa ein Higgs-Boson produzieren können!

Natürlich gibt es dabei Probleme. Zuallererst hätte ein solcher Lauf von den Experimentatoren verlangt, die Higgs-Masse a priori zu kennen . Die Maschine tatsächlich mit der erforderlichen Präzision zu betreiben, um die Higgs-Resonanz auszunutzen, wäre schwierig. Und selbst mit all dem würde es noch lange dauern, das Higgs-Boson tatsächlich zu entdecken. Das wäre also keine realistische Entdeckungsmethode gewesen.

Messen Sie die Bosonenfusion

Es gibt eine weitere bedeutende Higgs-Produktionsmethode bei LEP, die als "Gauge-Boson-Fusion" bezeichnet wird. Das ist ein Vorgang, bei dem das Elektron und das Positron jeweils entweder ein Z-Boson oder ein W-Boson aussenden und beide zu einem Higgs-Boson verschmelzen. Also einer der folgenden Prozesse:

Nach dieser Arbeit weist ersterer dieser beiden Prozesse tatsächlich einen signifikanten Wirkungsquerschnitt auf$\sqrt{s}=209~\rm GeV$, von etwa$2~\rm fb$. LEP II lieferte tatsächlich genug integrierte Luminosität, dass es ziemlich wahrscheinlich ist, dass es irgendwann während seines Laufs tatsächlich ein einzelnes Higgs-Boson produziert hat. Wenn der LEP II lange genug gelaufen wäre, wäre dies schließlich der Entdeckungskanal gewesen.

„Lang genug“ ist allerdings eine lange Zeit. Da dieser Querschnitt etwa 100 mal kleiner ist als$\fs{ZH}$über die Schwellenenergie hinausgeht, und das$\fs{ZH}$wahrscheinlich für die Entdeckung innerhalb von ein oder zwei Jahren ausgereicht hätte, eine schnelle Schätzung ist, dass es 100 Jahre gedauert hätte, um das Higgs auf diese Weise zu entdecken. (Diese Schätzung ist ziemlich optimistisch, da, obwohl ein längeres Laufen die Signalstärke linear erhöht, es auch den Hintergrund erhöht, so dass es wahrscheinlich viel länger dauern würde). Der LHC war also definitiv der bessere Weg.