O bóson de Higgs – the GOD(DAMN) Particle

Esse texto foi publicado originalmente em 4 de julho de 2012

Hoje o CERN anunciou a descoberta de uma nova partícula que deve ser o bóson de Higgs. A brilhante idéia de Peter Higgs, dos anos 60, levou meio século para ser comprovada. Os experimentos ATLAS e CMS, do LHC, mostraram sinal de 5 sigmas de significância ou seja, a probabilidade desta medida ser apenas ruído é menor que 0.00006%. Hoje é um grande dia para a humanidade, que dá um importante passo na compreensão do universo. Esta é uma medida complexa, de experimentos também complexos. Gostaria de discutir alguns aspectos da importância deste evento para um público leigo em física, mas também curioso e ansioso por entender um pouco mais sobre este assunto.

A descoberta

Para descobrir o bóson de Higgs o CERN construiu ao longo de quase duas décadas o LHC (Large Hadron Collider), o acelerador de partículas mais energético construído pelo homem. Este acelerador, encravado aproximadamente a 150 m de profundidade no subsolo de Genebra, na Suíça, possui 27 km de circuncefência e é capaz de acelerar prótons com velocidade de 99.9999991% da velocidade da luz. Neste aceleradores prótons colidem um com o outro, onde são produzidas novas partículas. Quatro grandes experimentos foram montados para observar diferentes aspectos destas colisões: o CMS e ATLAS, cujo principal objetivo é medir o bóson de Higgs, o LHCb, no qual um dos focos é estudar o balanço de matéria e anti-matéria no Universo e o ALICE, que tem foco principal no estudo das propriedades da matéria que compunha Universo pouco tempo após o Big-Bang.Hoje ATLAS e CMS revelaram ao mundo o bóson de Higgs, que são identificados a partir da análise cuidadosa (muita matemática, computação e criatividade) de figuras como as mostradas abaixo. Estas figuras são fotografias das colisões entre prótons onde há grande probabilidade de ter sido produzido um bóson de Higgs.

Acontece que o bóson de Higgs não é fácil de encontrar. Ele vive pouco tempo, algo da ordem de 10^-20 segundos ou menos (0,00000000000000000001 segundos). Ele desaparece, se transformando (chamamos isso de decaimento) em outras partículas comuns no dia a dia de quem trabalha com aceleradores. É assim com a grande maioria das partículas exóticas, não só com o bóson de Higgs. Nós físicos, ao longo de décadas, aprendemos a procurar por partículas assim. Procuramos pelas partículas filhas do decaimento dela, combinando-as estatisticamente, deste modo reconstruindo as propriedades da partícula original. Uma das propriedades reconstruída é a massa da partícula original. Uma das muitas formas de decaimento do bóson de Higgs é em dois fótons. No dia a dia fótons são reconhecidos como partículas de luz, raios-x, raios gama, ondas de rádio, infra-vermelho, etc. Ele assume vários nomes, dependendo da energia que eles carregam. Bom, estes fótons são muito energéticos e nós chamamos eles de raios gama. Pois bem, combinando estes fótons e calculando a massa da partícula que os originou, obtemos algo parecido com a figura abaixo, que chamamos de espectro. Nele nós vemos a quantidade de vezes que obtemos uma determinada massa quando combinamos dois destes fótons.

A maioria das vezes estes dois fótons não vêem de uma partícula bem definida, gerando um fundo contínuo. Nesta figura, porém, vê-se uma saliência por volta de 125 GeV, indicando que estes fótons são provenientes do decaimento de uma partícula. Neste caso, o bóson de Higgs. Visto assim parece fácil, mas não é. Para chegar em uma figura como esta bilhões de colisões são produzidas e analisadas. E não é só este decaimento que é analisado. Há muitos outros possíveis para o bóson de Higgs que também são investigados. É um trabalho árduo de milhares de cientistas no mundo inteiro. Mais detalhes sobre as análises dos experimentos ATLAS e CMS podem ser encontrados aqui  e aqui .

A importância do bóson de Higgs

O Modelo Padrão é a teoria em física que explica as partículas que compõe tudo que conhecemos e como elas interagem entre si. Todas as milhares de partículas conhecidas no Universo são originadas de um punhado pequeno de partículas fundamentais divididas em duas categorias: os férmions e os bósons.

Os férmions são separados em dois grupos: os quarks e os léptons. Conhecemos 6 quarks e 6 léptons, além das suas respectivas anti-partículas.

Os bósons conhecidos são quatro (ou cinco, se separarmos o W em W+ e W-). Estes bósons são os responsáveis por gerar as interações entre os férmions, combinando-os e gerando outras partículas e a matéria macroscópica. São eles: o glúon, o fóton, o Z, W+ e W-.

Cada um destes bósons é fundamental para que o Universo seja como ele é. O glúon é o responsável pela interação forte. Ou seja, se não fosse o glúon os quarks não se combinariam nos hádrons, formando, por exemplo, o próton e o neutron. Se não fosse por eles, também não existiriam os núcleos atômicos, como o núcleo de carbono e oxigênio, por exemplo.

Os bósons Z e W são responsáveis pela interação fraca. Esta interação é extremamente importante na conversão de um tipo de quark em outro, por exemplo, o quark charm se transformando em quark strange. Sem essa interação o decaimento beta não existiria e a composição química dos isótopos atômicos seria bem diferente do que é no Universo. Grande parte da matéria pesada do Universo, por exemplo o ferro, é proveniente de explosões de estrelas supernovas e essas explosões produzem núcleos atômicos com um desbalanço muito grande entre prótons e nêutrons. O decaimento beta faz com que neutrons se transformem em prótons (ou vice-versa), estabelecendo o balanço que observamos atualmente.

O fóton, o último desses bósons, é o responsável pela interação eletromagnética. Sem ela não existiriam átomos, não existiriam moléculas, DNA, células, etc. Enquanto a interação forte e fraca têm importância fundamental na formação das partículas e núcleos e nas suas propriedades, o fóton é importantíssimo nas interações em escalas atômicas e moleculares bem como nas escalas típicas do nosso dia a dia. O fóton é responsável pela luz que enxergamos, pela transferência de energia do Sol para o planeta, propriciando elementos para a vida, pela aglutinação de moléculas em compostos complexos, como cristais, células, líquidos, sólidos, etc. Sem o fóton não existiria o mundo macroscópico como conhecemos hoje.

O interessante disso tudo é que o modelo padrão, com esses bósons, não consegue explicar porque as partículas fundamentais têm massa. Porque a matéria “pesa”. Se as partículas não tivessem massa, o Universo seria bem diferente do que é. Um elétron sem massa, por exemplo, faria com que não existissem átomos, mesmo com o fóton lá para fazer a interação. Deste modo, a vida como ela é não existiria. Várias teorias para explicar a origem da massa foram formuladas nas últimas décadas. Uma delas, que veio a se tornar a mais aceita pela comunidade, nasceu de uma idéia de Peter Higgs, nos anos 60. A ciência vive de fatos. Como o Universo é e não como gostaríamos que ele fosse. Ou seja, teorias precisam ser testadas em experimentos. Por isso (não apenas isso) nasceu o LHC. Nesta ideia de Peter Higgs, a massa seria criada pela interação das partículas com um campo (o campo de Higgs), causando uma espécie de dificuldade de movimento destas partículas neste campo. Este dificuldade de movimento causaria a sensação de inércia nas partículas, ou seja, a massa. O bóson associado a esse campo é o bóson de Higgs. É como se você pensasse no movimento de um corpo em uma piscina de água. Dependendo do corpo há uma maior ou menor dificuldade de movimento. Essa água seria o equivalente ao campo de Higgs e as moléculas de H2O, que compõem a água, seria o análogo ao bóson de Higgs. Cada partícula interage de uma forma com este campo adquirindo, portanto, diferentes valores de massa. Quem interage pouco tem pouca massa e quem interage muito fica bem pesada.

Com a descoberta do bóson de Higgs dá-se um importante passo no entendimento da origem da massa das partículas e, consequentemente, do porque o Universo é como é.

A partícula de Deus

Não há dúvida da importância do bóson de Higgs para o Universo. Mas tão importante como ele é o glúon, o Z, W e o fóton. O Universo é como é por conta de todos estes bósons, cada um com um papel fundamental na definição das propriedades e características do que observamos. Então porque o bóson de Higgs é chamado de partícula de Deus?

Este termo surgiu com o livro “The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?” escrito por Leon Lederman, Prêmio Nobel. Neste livro ele explica a importância do bóson de Higgs no Universo e tenta justificar a construção de um acelerador de partículas que ele ajudou a conceber, o SSC (Superconducting Super Collider), que não foi construído. Mas o título original deste livro, segundo contam, seria “The Goddamn Particle” ou, a partícula maldita, pela sua dificuldade em ser observada tamanha a sua importância para a ciência. Acontece que os editores achavam este título um pouco ofensivo, com o potencial de prejudicar as vendas. Desta forma o título foi alterado e surgiu a polêmica toda relacionando ciência e religião, centrada na descoberta ou não do bóson de Higgs. Ou seja, uma jogada de marketing. Como disse uma vez o Prof. Fleming, aqui do IFUSP: “Se Deus existe, todas as partículas são dele, não apenas o bóson de Higgs. Exceto o neutrino, que deve ser coisa do capeta.”;