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Bóson de Higgs

O escocês Peter Higgs, que propôs nos anos 1960 um mecanismo de como as partículas adquirem sua massa

A busca pelo bóson de Higgs é um momento muito importante da história da Física. Sua existência, se comprovada, fundamenta um conceito importante da Física moderna, explicando porque as partículas elementares (como prótons, elétrons e nêutrons) têm massa. Mas, mesmo se os cientistas do Grande Colisor de Hádrons (conhecido pela sigla em inglês LHC) confirmarem que não foi possível encontrá-lo, para a ciência a notícia é ainda mais atordoante: significa que é preciso voltar aos livros e achar uma outra explicação para o fenômeno.

Um novo bóson à vista

(Revista FAPESP)

Físicos do Cern descobriram nova partícula que parece ser o bóson de Higgs

O maior laboratório do mundo pode ter encontrado a partícula que dá massa a todas as outras partículas, o tão procurado bóson de Higgs. Era a peça que faltava para completar um quebra-cabeça científico chamado modelo padrão, o arcabouço teórico formulado nas últimas décadas para explicar as partículas e forças presentes na matéria visível do Universo. Depois de analisarem trilhões de colisões de prótons produzidas em 2011 e em parte deste ano no Grande Acelerador de Hádrons (LHC), físicos dos dois maiores experimentos tocados de forma independente no Centro Europeu de Energia Nuclear (Cern) anunciaram nesta quarta-feira (4), nos arredores de Genebra (Suíça), a descoberta de uma nova partícula que tem quase todas as características do bóson de Higgs, embora ainda não possam assegurar com certeza de que se trata especificamente desse ou de algum outro tipo de bóson.

© CERN

Colisões de prótons nos quais se observa quatro elétrons de alta energia (linhas verdes e torres vermelhas). O evento mostra características esperadas do decaimento de um bóson de Higgs mas também é coerente com processos de fundo do modelo padrão

“Observamos em nossos dados sinais claros de uma nova partícula na região de massa em torno de 126 GeV (Giga-elétron-volts)”, disse a física Fabiola Gianotti, porta-voz do experimento Atlas. “Mas precisamos um pouco mais de tempo para prepararmos os resultados para publicação.” As informações provenientes de outro experimento feito no Cern, o CMS, são praticamente idênticas. “Os resultados são preliminares, mas os sinais que vemos em torno da região com massa de 125 GeV são dramáticos. É realmente uma nova partícula. Sabemos que deve ser um bóson e é o bóson mais pesado que achamos”, afirmou o porta-voz do experimento CMS, o físico Joe Incandela. Se tiver mesmo uma massa de 125 ou 126 GeV, a nova partícula será tão pesada quanto um átomo do elemento químico iodo.

Em ambos os casos experimentos, o grau de confiabilidade das análises estatísticas atingiu o nível que os cientistas chamam de 5 sigma. Nesses casos, a chance de erro é de uma em três milhões. Ou seja, com esse nível de certeza, é possível falar que houve uma descoberta, só não se conhece em detalhes a natureza da partícula encontrada. “É incrível que essa descoberta tenha acontecido durante a minha vida”, comenta Peter Higgs, o físico teórico britânico que, há 50 anos, ao lado de outros cientistas, previu a existência desse tipo de bóson. Ainda neste mês, um artigo com os dados do LHC deverá ser submetido a uma revista científica. Até o final do ano, quando acelerador será fechado para manutenção por ao menos um ano e meio, mais dados devem ser produzidos pelos dois experimentos.

“Estou rindo o dia todo”
Em Lindau, uma pequena cidade do sul da Alemanha à beira do lago Constance na divisa com a Áustria e a Suíça, onde ocorre nesta semana o 62º Encontro de Prêmios Nobel, os pesquisadores comemoraram a notícia vinda dos experimentos no Cern. Como o tema do encontro deste ano era física, não faltaram laureados com a maior honraria da ciência para comentar o feito. “Não sabemos se é o bóson (de Higgs), mas é um bóson”, disse o físico teórico David J. Gross, da Universidade de Califórnia, ganhador do Nobel de 2004 pela descoberta da liberdade assintótica. “Estou rindo o dia todo.” O físico experimental Carlo Rubia, ex-diretor geral do Cern e ganhador do Nobel de 1984 por trabalhos que levaram à identificação de dois tipos de bósons (o W e Z), foi na mesma linha de raciocínio. “Estamos diante de um marco”, afirmou.

Talvez com um entusiasmo um pouco menor, mas ainda assim reconhecendo a enorme importância do achado no Cern, dois outros Nobel deram sua opinião sobre a notícia do dia. “É algo que esperávamos há anos”, afirmou o físico teórico holandês Martinus Veltman, que recebeu o prêmio em 1999. “O modelo padrão ganhou um degrau maior de validade.” Para o cosmologista americano George Smoot, ganhador do Nobel de 2006 pela descoberta da radiação cósmica de fundo (uma relíquia do Big Bang, a explosão primordial que criou o Universo), ainda deve demorar uns dois ou três anos para os cientistas realmente saberem que tipo de nova partícula foi realmente descoberta. Se a nova partícula não for o bóson de Higgs, Smoot disse que seria “maravilhoso se fosse algo relacionado com a matéria escura”, um misterioso componente que, ao lado da matéria visível e da ainda mais desconhecida energia escura, seria um dos pilares do Universo.

Não é possível medir de forma direta partículas com as propriedades do bóson de Higgs, mas sua existência, ainda que fugaz, deixaria rastros, que, estes sim, poderiam ser detectados num acelerador de partículas tão potente como o LHC. Instáveis e fugazes, os bósons de Higgs sobrevivem uma ínfima fração de segundo – até decaírem e virarem partículas menos pesadas, que, por sua vez, decaem também e dão origem a partículas ainda mais leves. O modelo padrão prevê que, em função de sua massa, os bósons de Higgs devem decair em diferentes canais, ou seja, em distintas combinações de partículas mais leves, como dois fótons ou quatro léptons. Nos experimentos feitos no Cern, dos quais participaram cerca de 6 mil físicos, foram encontradas evidências quase inequívocas das formas de decaimento que seriam a assinatura típica dos bóson de Higgs.

Bóson de Higgs: Cientistas descobrem 'pista' do que pode ser a 'partícula de Deus'; entenda

AFP

Gráfico distribuído pela Cern que representa colisão de partículas

Cientistas do Cern (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear) anunciaram nesta quarta-feira terem descoberto uma nova partícula subatômica que pode ser o tão procurado Bóson de Higgs, conhecido como a "partícula de Deus" e considerado crucial para entender a formação do Universo.

"Confirmo que uma partícula foi descoberta e é consistente com a teoria do Bóson de Higgs", declarou John Womersley, executivo-chefe do Conselho de Ciência e Tecnologia em Londres, que está trabalhando com o Cern.

O resultado foi considerado preliminar, mas um indicativo "forte e sólido" da partícula. Ainda assim, são necessárias mais pesquisas para comprovar que o que eles viram é de fato a partícula de Higgs.

Os cientistas alegam ter encontrado uma "curva" nos dados sobre as variações de massa das partículas geradas no imenso acelerador de partículas Grande Colisor de Hádrons. Essa "curva" corresponde a uma partícula que pesa 125,3 gigaelectronvolts (Gev) - cerca de 133 vezes mais pesada do que o próton existente no âmago de cada átomo.

O que não se sabe é se a partícula descoberta é realmente o Bóson de Higgs, uma variante ou uma partícula subatômica completamente nova, que leve a reformulações das teorias sobre a formação da matéria.

"É de fato uma nova partícula. Sabemos que deve ser um bóson, e o bóson mais pesado já conhecido", disse o porta-voz dos experimentos, Joe Incandela. "As implicações são significativas, e é justamente por isso que precisamos ser diligentes em nossos estudos e checagens."

 

Entenda o que são as pesquisas e sua importância:

O parecer oficial do CERN

Ratificando o que já havia sido divulgado no ano passado, agora com muito mais certeza (ou significância estatística), cientistas do CERN confirmam que tanto o CMS - Compact Muon Solenoid quanto o ATLAS - A Toroidal LHC Apparatus, dois dos quatro experimentos do LHC - Large Hadron Collider, desenhados para "ver" o Bóson de Higgs, descobriram uma nova partícula consistente com o que se espera ser o tão procurado bóson. 

Os físicos de partículas usam um critério estatístico para classificar uma partícula detectada. Para ser classificado como descoberta, é preciso alcançar o fator sigma 5. E conseguiram, com os dados obtidos pelo LHC em 2012 (ainda em análise) mais os dados de 2011. Vale lembrar que até o final do ano passado a energia por colisão próton-próton era de 7,0 TeV (3,5 TeV por próton). Em 2012 a máquina passou a operar a 8,0 TeV (4,0 TeV por próton). Também houve aumento no número de pacotes de prótons e, portanto, incremento no número de colisões. Sendo assim, o LHC acumulou uma quantidade de dados recorde e muito mais significativa, o que permitiu elevar os resultados experimentais para o nível de descoberta.

Segundo Fabíola Gianotti, pesquisadora e porta voz do ATLAS, "Sigma 5 garante que estamos diante de uma nova partícula. E sua massa está na região em torno dos 126 GeV".

Os cientistas já sabem que trata-se de um bóson. Joe Incandela, porta-voz do CMS, disse "Medimos um sinal significativo na região de 125 GeV. Sabemos que é um bóson. E o mais massivo observado até então". Mas os físicos não podem (ainda) garantir que seja o Bóson de Higgs, embora tudo indique que sim. O "ainda" pode, neste caso, ser medido e significa 99,9999999% de certeza!

Os dados dos dois experimentos divergem no tocante à massa inercial da nova partícula. E, por isso mesmo, a massa "oficial" divulgada até agora é 125,3 ± 0,6 GeV, ou seja, parece estar entre 124,7 GeV e 125,9 GeV.

Diante de tudo isso, Sergio Bertolucci, diretor do CERN, alegou ser "... praticamente impossível não ficar excitado!". Encontrar o Bóson de Higgs era uma prova de fogo para o LHC, quase uma "questão de honra". Detectá-lo, além de validar o Modelo Padrão de Partículas, ratifica que a máquina funciona à altura do que se esperava dela. E justifica (pelo menos cientificamente) o enorme investimento nela feito.

Peter Higgs, o físico inglês que nos anos 60 do século passado sugeriu a existência desse bóson  para justificar um mecanismo de quebra de simetria espontânea e que seria responsável por conferir massa a todas as partículas e, portanto, à matéria, estava presente no auditório do  CERN em Genebra, Suíça. e sob fortes aplausos, ficou emocionado (veja vídeo deste momento histórico). Me emocionei também por estar acompanhando de perto esta história que tem praticamente a minha idade. E ainda mais por ter tido a oportunidade de estar presente na Escola de Física do CERN em 2010 quando pude conhecer bem de perto tudo o que se faz por lá e a incrível máquina que é o LHC!

Como funciona o LHC

O LHC é o quinto estágio de um complexo de aceleradores que ficam no CERN (veja mais detalhes neste post). Mas ele não é apenas um acelerador, é também um colisor de matéria.

Um dos slides da  palestra "Um passeio virtual pelo maior experimento científico de todos os tempos", proferida na Campus Party São Paulo 2012 (dentre outros eventos) mostra duas coisas básicas que acontecem no LHC: o que se chama de efeito The Flash e efeito Chuck Norris.

Slide da  palestra sobre o LHC

Chama-se de efeito The Flash à aceleração de dois feixes de prótons até quase a velocidade da luz. Estes feixes viajam  em sentidos opostos, dentro de um anel subterrâneo de quase 27 km de circunferência. Em quatro sitios (ou experimentos) específicos (veja noutro slide abaixo) estes feixes podem se cruzar. E aí entra o efeito Chuck Norris: porrada! Pares de prótons podem colidir, trocando incríveis pancadas com muita energia (atualmente 8 TeV por colisão). 

Outro slide da palestra mostrando os 4 experimentos

Destes choques, que podem chegar à incrível taxa de 6.10⁸ colisões/segundo, emergem outras partículas. Detectores tridimensionais, posicionados nas cavernas subterrâneas dos quatro principais experimentos podem "ver" as trajetórias destas partículas e um complexo sistema pode medir parâmetros físicos delas (massa, energia, momento, etc), recriando os eventos observados. Algumas destas partículas podem ser diferentes de tudo o que já se observou. É aí que entram as descobertas. E é assim que descobriram o novo bóson que, por excesso de zelo, os cientistas dizem "ainda não ter certeza" de que se trata do Bóson de Higgs. Mas deve ser ele sim.

O que é o Bóson de Higgs?

Segundo teorias da Física que aguardam comprovação definitiva, Higgs é uma partícula subatômica considerada uma das matérias-primas básicas da criação do Universo.

Existe uma teoria quase completa sobre o funcionamento do Universo, com todas as partículas que formam os átomos e moléculas e toda a matéria que vemos, além de partículas mais exóticas. Esse é o chamado Modelo Padrão.

Mas há um "buraco" na teoria: ela não explica como todas essas partículas obtiveram massa. A partícula de Higgs, cuja teoria foi proposta inicialmente em 1964, é uma explicação para tentar preencher esse vácuo.

Segundo o Modelo Padrão, o Universo foi resfriado após o Big Bang, quando uma força invisível, conhecida como Campo de Higgs, formou-se junto de partículas associadas, os Bósons de Higgs, transferindo massa para outras partículas fundamentais.

O Que é e para que serve o Modelo Padrão?

Sabemos que existem quatro interações fundamentais na natureza:

Interação Eletromagnética

Interação Nuclear Fraca

Interação Nuclear Forte

Interação Gravitacional

O Modelo Padrão é a teoria que descreve três (das quatro interações acima) bem como as partículas elementares que constituem a matéria. Só fica de fora a gravidade.  

Desta forma, o Modelo Padrão é compatível com a Física Quântica e a Relatividade Restrita. A Relatividade Geral fica de fora junto com a Interação Gravitacional.

A imagem abaixo, outro slide, de outra palestra, é uma "foto de família" do Modelo Padrão completo, com 61 partículas, incluindo o Bóson de Higgs. Clique na imagem para abrir versão maior (1200 pixels X 846 pixels). 

Note que o Modelo Padrão tem um "espelhamento" pois prevê a existência de matéria e de antimatéria.

Os constituintes do núcleo atômico (prótons e nêutrons) não são elementares e são feitos de partículas conhecidas por quarks do tipo up (u) e down (d). Mas o modelo ainda prevê outros quatro quarks: charm (c), strange (s), top (t) e bottom (b). São ao todo 6 quarks e 6 antiquarks. São 12 quarks e antiquarks mas que possuem três "sabores" diferentes. Logo, são 36 quarks. 

Fora do núcleo sabemos que existem os elétrons. O elétron é um lépton. Mas existem ao todo 6 léptons (em pares lépton e seu neutrino): o elétron e o neutrino do elétron, o muon e o neutrino do muon, e o tau e o neutrino do tau. Cada um deles tem a sua antipartícula, ou seja, temos ainda 6 antiléptons.

Os quarks trocam forças pela Interação Nuclear Forte cujo bóson mediador é o Gluon. Ao todo são 8 tipos de glúons para descrever esta interação. Os léptons trocam forças pela Interação Nuclear Fraca mediada pelos bósons Z+, Z- e W. 

Partículas com carga elétrica (prótons e elétrons,, por exemplo) podem trocar força eletrostática entre si. Esta força pertence à Interação Eletromagnética cujo bóson mediador é o Fóton.

E o Bóson de Higgs entra nesta turma para, através do mecanismo proposto por Peter Higgs, conferir massa a todo mundo.

Faça as contas:

36 quarks/antiquarks + 12 léptons/antiléptons + 12 glúons + 1 Z+ + 1Z- + 1W + 1 Fóton = 60 partículas elementares, todas bem conhecidas.

Portanto, o bóson de Higgs é a partícula 61 deste quebra-cabeças! Se deu tudo certo até 60/61 (~ 98% do modelo), seria possível dar tudo errado só agora, na última das 61 partículas? Parece que não. E tudo indica que o Modelo Padrão está salvo!  

Massa em GeV/c²? Onde foi parar o kg?

O Modelo Padrão está em conformidade com a Física Quântica e com a Relatividade.

Todos conhecemos a equação mais pop da Física: E = m.c².  Ela foi proposta por Einstein em 1905 e nos mostra uma relação importantíssima entre massa inercial (m) e energia (E). É uma das colunas da Física Moderna.  

Estamos acostumados a medir massa em kg. Você vai ao açougue e compra 1 kg de contrafilé, por exemplo. A unidade quilograma faz parte do Sistema Internacional de Unidades.

Mas, segundo E = m.c², é mais conveniente para os físicos que trabalham com partículas usarem outras unidades de medida.

Para mostrar como é isso na prática, vou usar a notação de colchetes para representar apenas a unidade de medida. Assim, [E] é "unidade de medida de energia" bem como [m] deve ser lido como "unidade de medida de massa".

Como eu já disse, [m] = kg no Sistema Internacional. Neste mesmo sistema, [E] = J (joule). Mas na Física de Partículas é comum usarmos [E] = eV (lê-se elétron-volt) e seus múltiplos: keV = 10³ eV (quilo eV), MeV = 10⁶ eV (mega eV), GeV = 10⁹ eV (giga eV) e TeV = 10¹² eV (tera eV). 

1 eV corresponde à energia cinética que uma partícula de carga elétrica 1,6.10^-19 C (carga elementar) "ganha" ao ser acelerada numa diferença de potencial de 1 V.  Assim, 1 eV = 1,6.10^-19 J. 

Portanto, a unidade de medida de massa pode ser eV/c² ou seus múltiplos:

[m] = [E]/c² = eV/c²

[m] = [E]/c² = keV/c²

[m] = [E]/c² = GeV/c²

[m] = [E]/c² = TeV/c²

A vantagem de expressar massa nesta unidade é que, ao multiplicarmos m x c², já encontramos a energia em eV (ou seus múltiplos). Massa e energia, que segundo Einstein estão correlacionadas pelo fator c², passam a ter o mesmo valor numérico. Por exemplo, o bóson recém descoberto no LHC tem massa de 125 GeV/c² ou energia de repouso de 125 GeV. Massa e energia têm o mesmo valor numérico 125.10⁹. Parece estranho. Mas, depois que se acostuma, é muito mais fácil raciocinar assim! Concorda?

Slide da palestra sobre o LHC abordando as unidades de medida

Não é difícil encontrar a correspondência entre GeV/c² e kg. Basta lembrar que 1 GeV = 1.10⁹ eV. E 1 eV = 1,6.10^-19 J. A velocidade da luz ao quadrado (c²) vale (3.10⁸)² = 9.10¹⁶ (m/s)². Assim:

1 GeV/c² = (1.10⁹ x 1,6.10^-19 J ) / 9.10¹⁶ (m/s)² = 1,78.10^-27 kg.

Um próton, por exemplo, tem massa de repouso de 1,673.10^-27 kg mas que pode ser expressa (pela equivalência acima) como 0,938 GeV/c². Um próton parado tem massa de 0,938 GeV/c² o que equivale a uma energia de repouso de 0,938 GeV (mesmo valor numérico). Entendeu?

Por que a massa é importante?

A massa é simplesmente uma medida de quanto qualquer objeto - uma partícula, uma molécula, um animal - contém em si mesmo. Se não fosse pela massa, todas as partículas fundamentais que compõem os átomos e os animais viajariam pelo cosmos na velocidade da luz, e o Universo como o conhecemos não seria agrupado em matéria.

A teoria em questão propõe que Campo de Higgs, permeando o Universo, permite que as partículas obtenham massa. Esse processo pode ser ilustrado com a resistência que um corpo encontra quando tenta nadar em uma piscina. O Campo de Higgs permeia o Universo como a água enche uma piscina.

Como se sabe que o Higgs existe?

A caça ao Higgs é uma das razões que levaram à construção do imenso acelerador de partículas Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), do Cern (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear), na Suíça. A primeira vez que se falou da partícula foi em 1964, quando seis físicos, incluindo o escocês Peter Higgs, apresentaram uma explicação teórica à propriedade da massa.

O Modelo Padrão é um manual de instruções para saber como funciona o cosmos, que explica como as diferentes partículas e forças interagem. Mas a teoria sempre deixou uma lacuna - ao contrário de outras partículas fundamentais, o Higgs nunca foi observado por experimentos.

Agora, os pesquisadores do Cern dizem que descobriram uma partícula que pode ser o Bosón de Higgs, mas destacam que mais pesquisas são necessárias para confirmar a descoberta.

Como os cientistas buscam o Bóson de Higgs?

Ironicamente, o Modelo Padrão não prevê a existência de uma massa exata para o Higgs. Aceleradores de partículas como o LHC são utilizados para pesquisar a partícula em um intervalo de massas onde ela possa estar.

O LHC esmaga dois feixes de prótons próximos à velocidade da luz, gerando uma série de outras partículas. É possível que o Higgs nunca seja observado diretamente, mas os cientistas esperam que ele exista momentaneamente nessa "sopa" de partículas. Se ele se comportar como os pesquisadores esperam que ele se comporte, pode se decompor em novas partículas, deixando um rastro de provas de sua existência.

Quais evidências os cientistas podem encontrar?

O Bóson de Higgs é instável. Caso seja produzido a partir das bilhões de colisões no LHC, o bóson rapidamente se transformará em partículas de massa menor e mais estáveis. Serão essas partículas os indícios que os físicos poderão usar para comprovar a existência do bóson, que aparecerão como ligeiras variações - como a anunciada nesta quarta - em gráficos usados pelos cientistas. Portanto, a confirmação se dará a partir de uma certeza estatística.

E se o Bóson de Higgs não for encontrado?

Caso se comprove que o Bóson de Higgs não existe, a teoria do Modelo Padrão teria de ser reescrita. Isso poderia abrir caminho para novas linhas de pesquisa, que podem se tornar revolucionárias na compreensão do Universo, da mesma forma que uma lacuna nas teorias da Física acabou levando ao desenvolvimento das teses da mecânica quântica, há um século.

Entenda o que Deus tem a ver com o bóson de Higgs

Tecnicamente, a partícula é conhecida como bóson de Higgs. Mas o outro apelido conferido a ela acabou ficando até mais famoso: partícula de Deus. 

A alcunha foi dada pelo prestigiado físico Leon Lederman, vencedor do Prêmio Nobel em Física, pelo fato de o bóson de Higgs ser a partícula que permite que todas as outras tenham diferentes massas.

Ele fez uma analogia com a história bíblica da Torre de Babel, em que Deus, num de seus típicos acessos de fúria, faz com que todos falem línguas diferentes.

Da mesma maneira, o Higgs faria com que todas as partículas tivessem massas variadas.

O nome pegou, mas a maior parte da comunidade científica prefere chamar mesmo de bóson de Higgs, para que a brincadeira não distorça o real significado do trabalho de pesquisa ou atribua a ele alguma conotação religiosa imprópria.

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Este site foi atualizado em 04/03/19