Depois de uma semana de rumores de todos os tipos, finalmente hoje, dia 13 de Dezembro de 2011, pudemos ver, ouvir e tentar entender o que está acontecendo no LHC do CERN a respeito da famosa partícula de Deus, ou o Bóson de Higgs. Bem, vamos começar pelo fim, a partícula ainda não foi claramente detectada, mas dois grandes experimentos do LHC, o ATLAS e o CMS avançaram de maneira decisiva na possível identificação que deve acontecer em 2012, de acordo com os pesquisadores que apresentaram os resultados hoje. As duas apresentações estão no final desse post. Porém, mais importante do que detectar propriamente dito a partícula é importante entendermos algumas coisas sobre o tal Bóson de Higgs.
Bem, mas o que é o Bóson de Higgs. De maneira simples, o Bóson de Higgs, foi proposto na década de 1960, mas precisamente em 1964 pelo físico britânico Peter Higgs na Universidade de Edimburgo, numa tentativa de explicar por que as outras partículas possuem massa. Por isso ele é chamado de A Partícula de Deus, pois de acordo com a teoria, seria o Bóson de Higgs responsável por dar massa a tudo o que conhecemos no universo. Todas as partículas que constituem tudo que nós conhecemos, que se unem para formar prótons, nêutrons, núcleos e por fim os átomos têm massa, e sem o Bóson de Higgs essas partículas não teriam qualquer massa e seriam como os fótons.
A teoria nos diz que depois do Big Bang, a grande explosão que formou o universo, ele esfriou e uma força invisível conhecida como campo de Higgs se formou. Esse campo permeia todo o cosmos e é constituído de incontáveis partículas minúsculas, ou os chamados Bósons de Higgs. À medida que outras partículas passam por esse campo elas adquirem massa. E por isso é muito importante identificar o Bóson de Higgs, para se poder comprovar a teoria. Os cientistas acreditam que os ganhos com essa descoberta serão de longo prazo e devem afetar campos da vida cotidiana, como a medicina, a computação e a indústria.
Nós sabemos da nossa própria experiência de como as coisas parecem ter pesos diferentes dependendo de onde estão localizadas, por exemplo, objetos que são pesados na terra, parecem mais leves na água. De maneira similar nós sabemos que é mais fácil arrastar uma colher no ar do que num prato de cheio de sopa.
O modelo padrão da física das partículas implica na existência do chamado Campo de Higgs que permeia todo o espaço. Esse campo interagem com as partículas, e faz isso de maneiras diferentes e com intensidades diferentes. As partículas que interagem mais fortemente experimentam uma resistência maior ao seu movimento e por isso parecem mais pesadas. Algumas partículas, porém, como os fótons não interagem com o campo e por isso não possuem massa.
Dessa maneira, a massa de tudo é determinada pela existência desse campo, e a massa é um acidente das nossas circunstâncias, pois nós existimos em um universo onde esse tipo de campo aconteceu de ter surgido.
Mas por que uma partícula de Higgs? A relatividade nos diz que nenhum sinal pode viajar mais rápido que a luz. Incorporando essa premissa na mecânica quântica, ela nos diz que as forças que nós pensamos que são geradas por campos são na verdade transmitidas entre os objetos pela troca realizada entre as partículas. A maneira com a qual as partículas transmitem as forças é como um jogo de pegar. Se por exemplo, eu mando uma bola para você e você pega essa bola, eu serei empurrado para trás pelo ato de ter jogado a bola e você será empurrado para trás também por ter pego a bola. Assim agimos como se um repelisse o outro.
Assim, se existe um campo de Higgs, por sua vez deve existir uma partícula associada a esse campo e essa é então a partícula de Higgs.
O que fez então os cientistas imaginarem o cenário da partícula de Higgs? Um dos grandes sucessos dos últimos 50 anos foi a unificação de duas das forças essenciais da natureza, o eletromagnetismo e a interação fraca. Nessa teoria do “eletromagnetismo fraco”, as forças eletromagnéticas surgem pela troca de fótons sem massa em grande escala, e a força fraca é devido à troca de partículas com massa de curto alcance chamadas de partículas W e Z, previstas na década de 1960 e descobertas nos anos de 1980 pelo CERN, o Laboratório de Física de Partículas da Europa, que fica perto de Genebra na suíça e que abriga o famoso LHC.
Para que essa unificação tivesse um sentido matemático, todas as três partículas envolvidas não deveriam ter massas na teoria subjacente, e ainda mais, as forças que elas mediariam seriam quase idênticas. Nesse caso somente se as partículas W e Z obtivesse uma massa pela interação com o campo de fundo, no caso, o campo de Higgs, a teoria explicaria por que as duas forças parecem tão diferentes nas escalas em que as medimos hoje, enquanto tudo isso permaneceria matematicamente consistente. Ou seja, se o campo de Higgs for introduzido, os bósons, ou as partículas W e Z se misturam com esse campo e através dessa mistura adquirem massa. Isso então explica por que os bósons W e Z têm massa e também unifica a força eletromagnética e força de interação fraca de modo conclusivo.
Assim, para poder unificar e entender as teorias de forma completa é necessário encontrar a partícula de Higgs, ou o Bóson de Higgs. Para isso precisamos saber a massa dessa partícula para saber onde procurar. A teoria sugere que a massa do Bóson de Higgs deve ser aproximadamente 100 vezes a massa do próton, contudo a sua massa exata não foi prevista.
Por mais de 25 anos, desde a descoberta das partículas, ou Bósons, W e Z, os físicos experimentais têm tentado construir aceleradores de partículas com a energia necessária para produzir um Bóson de Higgs, claro se ele realmente existir. O Tevatron, o acelerador do Fermilab em Bataia no estado norte-americano de Illinois, foi capaz de alcançar algo em torno de 120 vezes a massa do próton, ou algo em torno de 120 gigaeletronvolts, mas não encontraram o Bóson de Higgs.
Então entra o LHC na história. O LHC foi desenhado e construído cuidadosamente para pesquisar e tentar encontrar o Bóson de Higgs, pesquisando massas ainda mais pesadas. Se o Bóson de Higgs tiver sua massa anunciada em 125 GeV, como sugerem os rumores, isso será a joia da coroa do nosso entendimento teórico sobre a unificação das forças eletromagnéticas e da interação fraca. Com a identificação do Bóson de Higgs será possível entender a nossa origem, e a origem de quase toda a massa do universo.
Então o que aconteceu hoje, dia 13 de Dezembro de 2011? Hoje em um seminário ocorrido no CERN, foram apresentados os últimos resultados dos experimentos ATLAS e CMS que pesquisam o chamado Modelo Padrão do Bóson de Higgs. Os resultados foram baseados nas análises de uma grande quantidade de dados, uma quantidade bem maior do que a analisada na última apresentação. A quantidade de dados é importante pois fornece uma sustentação estatística para a descoberta. Com isso, os dois experimentos conseguiram avanços significativos na busca pelo Bóson de Higgs, mas não conseguiram ainda definir de forma conclusiva a sua existência ou não. A principal conclusão é que o Modelo Padrão do Bóson de Higgs, se ele existe, ele provavelmente tem uma massa entre 116-130 GeV pelo experimento do ATLAS e entre 115-127 GeV pelo CMS. Pistas tentadoras da existência do Bóson de Higgs foram vistas em ambos os experimentos, nessa região de massa, mas ainda não foi o suficiente para clamar a sua existência.
Os Bósons de Higgs, se eles existem, têm uma vida muito curta e podem decair de diferentes maneiras. Tanto o ATLAS como o CMS analisaram alguns canais de decaimento, e os experimentos puderam ver pequenos excessos na região de baixa massa que ainda não foram excluídos.
Porém, nenhum desses excessos observados possuem um significado estatístico razoável. Porém existem coisas interessantes, por exemplo, múltiplas medidas realizadas de maneira independente apontaram para uma região de 124 a 126 GeV. Está muito cedo ainda para dizer se o ATLAS e o CMS descobriram a o Bóson de Higgs, mas algumas conclusões e números apresentados geraram grande interesse da comunidade da física de partículas.
“Nós restringimos a região de massa mais provável para o Bóson de Higgs entre 116 e 130 GeV, e há algumas semanas nós começamos a ver intrigantes eventos de excesso na massa em torno de 125 GeV”, explica a palestrante do experimento ATLAS Fabiola Gianotti. “Esse excesso pode ser devido a flutuações, mas poderia também ser algo mais interessante. Nós não podemos concluir nada nesse estágio. Nós precisamos estudar mais e coletar mais dados. Devido a grande performance do LHC em 2011, nós com certeza não precisaremos esperar muito para que dados suficientes sejam analisados para que possamos resolver esse quebra-cabeça em 2012”.
“Nós não podemos excluir a presença do Modelo Padrão de Higgs entre 115 e 127 GeV pois existem modestos eventos de excesso nessa região de massa que aparecem de forma consistente em cinco canais independentes”, explica o palestrante do CMS, Guido Tonelli. “O excesso é mais compatível com o Modelo Padrão de Higgs nas vizinhanças de 124 GeV e abaixo, mas o significado estatístico das medidas ainda não é grande o suficiente para dizermos algo conclusivo. O problema é que o que nós vimos até hoje é cosnsitente tanto com as flutuações de fundo como com a presença do Bóson de Higgs. Análises refinadas e dados adicionais em 2012 definitivamente responderão a essa pergunta”.
Nos próximos meses, ambos os experimentos refinarão suas análises para tentar apresentar algo novo na conferência de inverno que acontecerá em Março de 2012, contudo um uma posição definitiva sobre a existência ou não do Bóson de Higgs necessitará de mais dados e é algo que deve acontecer só no final de 2012.
O Modelo Padrão, tanto falado, é a teoria que os físicos usam para descrever o comportamento das partículas fundamentais da natureza e das forças que agem entre elas. Esse modelo descreve a matéria ordinária, matéria essa que nos forma e forma tudo o que conhecemos no universo. Porém o Modelo Padrão não descreve 96% do universo que é invisível (matéria escura e energia escura). Um dos principais objetivos do programa de pesquisa do LHC é ir além do Modelo Padrão, e o Bóson de Higgs é fundamental para começarmos a entender o 96% restante do universo.
O Modelo Padrão de Higgs confirmaria uma teoria colocada na década de 1960, mas existem outras formas possíveis que o Bóson de Higgs poderia existir integrando teorias e indo além do Modelo Padrão. Um Modelo Padrão de Higgs poderia ainda apontar o caminho para uma nova física, através de sutilezas nesse comportamento que só emergiriam depois de se estudar uma grande quantidade de decaimentos de partículas de Higgs. Um Modelo de Higgs não Padrão, atualmente além do alcance dos experimentos do LHC, imediatamente abriria a porta para uma nova física, onde a ausência de um Modelo Padrão de Higgs apontaria fortemente para uma nova física no desenho completo de energia do LHC, que deve ser conseguido em 2014. Se os experimentos ATLAS e CMS mostrarem com o passar do tempo que o Modelo Padrão de Higgs existe ou não, o programa do LHC estará abrindo o caminho para uma nova física.
The God Particle from Brandon Kahn on Vimeo.
Fontes:
http://news.sky.com/home/technology/article/16129043
http://www.physorg.com/news/2011-12-narrow-higgs-particle.html
http://www.livescience.com/17433-implications-higgs-boson-discovery-lhc.html
http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR25.11E.html
