Bóson de Higgs ( A particula de Deus)

O prêmio Nobel da Física 2013 atribuído à François Englert e Peter W. Higgs pela descoberta da partícula fundamental.

• Em 4 de julho de 2012, cientistas do CERN (Organização Européia para a Investigação Nuclear) anunciaram que, ao fim de 50 anos de investigação, foi descoberta uma nova partícula que pode ser o bóson de Higgs. O anúncio da descoberta do Higgs foi feito com grande cautela. Dois grupos de pesquisadores, das experiências ATLAS e CMS, anunciaram a descoberta de uma partícula, com massa entre 125 e 126 GeV, que possui propriedades semelhantes `aquelas previstas para o Higgs do modelo padrão. Contudo, ainda ´e necessário verificar se essa partícula possui todas as propriedades do Higgs, devendo-se então acumular mais dados experimentais.

Por exemplo, os dados experimentais mostram que devido ao fato da partícula ter decaído em pares de fótons ela pode ter spin zero ou dois, consistente com o Higgs do modelo padrão que tem spin zero. Por outro lado, de acordo com o modelo padrão, o Higgs deveria decair com uma determinada frequência em pares de fótons, mas os dados preliminares experimentais acusam um excesso no nível deste tipo de decaimento. Outro dado experimental inconsistente com o Higgs do modelo padrão ´e uma carência no decaimento em partículas taus. Estes resultados indicariam que o bóson encontrado n˜ao seria o Higgs do modelo padrão.

• Assim, somente com os dados experimentais que serão acumulados nos próximos meses ou anos será possível ter uma maior clareza do que foi observado em 4 de julho. Estes novos dados experimentais também permitirão testar os modelos alternativos e as extensões do modelo padrão, tais como os modelos supersimétricos, os modelos de dimensões extras, os modelos tecnicolor, entre outros. Nos próximos meses ou anos certamente veremos grandes mudanças no entendimento a respeito das partículas fundamentais da natureza.

O Bóson de Higgs é uma partícula elementar bosônica prevista pelo Modelo Padrão de partículas, teoricamente surgida logo após ao Big Bang de escala maciça hipotética predita para validar o modelo padrão atual de partículas e provisoriamente confirmada em 14 de março de 2013. Representa a chave para explicar a origem da massa das outras partículas elementares. Todas as partículas conhecidas e previstas são divididas em duas classes: férmions (partículas com spin da metade de um número ímpar) e bóson (partículas com spin inteiro). 

• Quando físicos do Grande Colisor de Hádrons, no CERN, anunciaram a descoberta de uma nova partícula, em 4 de julho, não a chamaram de “o bóson de Higgs”. Isso não foi apenas a típica cautela científica: também significou que o anúncio vem em um momento significativo. Estamos no fim de décadas de uma odisseia teórica, experimental e tecnológica, e também no início de uma nova era na física.

A busca por essa partícula surgiu a partir de uma única frase no artigo de 1964 do físico Peter Higgs, da University of Edinburgh, na Escócia. Na época, o que atualmente chamamos de Modelo Padrão da física de partículas, que descreve todas as partículas elementares conhecidas, só estava começando a esfriar. O Modelo Padrão faz centenas de previsões testáveis e, nas décadas seguintes à sua origem, provou-se sempre correto. O bóson de Higgs era a última peça do quebra-cabeça, unindo todas as partículas conhecidas da matéria (férmions) e os transportadores das forças que agem sobre elas (bósons). Isso forma uma atraente imagem do funcionamento do mundo subatômico, mas ainda não sabemos se essa imagem é apenas parte de um cenário maior. 

• O modelo padrão é baseado, em parte, na simetria eletrofraca, que une o eletromagnetismo e a força fraca. Mas as partículas que transportam essas forças têm massas muito diferentes, evidenciando que a simetria está quebrada. Coube aos teóricos explicar a divergência de forças. Em 1964, três artigos diferentes – de Higgs, de François Englert e Robert Brout, e de Gerald Guranik, Carl Hagen e Tom Kibble – em nosso periódico Physical Review Letters, mostraram que um oceano quântico onipresente chamado campo de spin-0 poderia operar a quebra de simetria. Higgs mencionou que esse oceano tinha ondas que correspondiam a uma nova partícula – o bóson que acabou batizado com seu nome.

Essa partícula, fundamental para o Modelo Padrão, foi provavelmente a mais difícil de identificar – exigiu gerações de colisores cada vez maiores para produzir um número significativo de colisões suficientemente energéticas. Mas completar o Modelo Padrão dificilmente põe fim à física de partículas. A descoberta do Higgs pode na verdade apontar o caminho para o que está além do reino dessa venerada teoria. Físicos experimentais ainda devem verificar se a nova partícula é um bóson de Higgs de spin-0. Em seguida, devem testar, com grande precisão, como o Higgs interage com outras partículas. Enquanto escrevemos, seus resultados não estão exatamente de acordo com as previsões, o que poderia ser apenas uma flutuação estatística ou um sinal de algum efeito mais profundo. Enquanto isso, os físicos experimentais têm de continuar obtendo dados para ver se existe mais de um bóson de Higgs. 

• Esses testes são importantes porque teóricos construíram muitos modelos hipotéticos que põem o Modelo Padrão em um quadro teórico maior e muitos deles preveem vários bósons ou desvios dos pareamentos comuns. Os modelos incluem mais férmions, mais bósons e até mais dimensões espaciais. O quadro teórico mais estudado é a supersimetria, que propõe que cada férmion conhecido tem um bóson companheiro ainda não descoberto e que cada bóson conhecido tem um férmion companheiro. Se a supersimetria estiver correta, não há apenas um bóson de Higgs, mas pelo menos cinco. Então estamos apenas começando a explorar novos horizontes. —Robert Garisto e Abhishek Agarwal

A compreensão dos fenômenos físicos que faz com que certas partículas elementares possuam massa e que haja diferença entre as forças eletromagnética (cuja interação é realizada pelos fótons) e a força fraca (cuja interação é feita pelos bósons W e Z) são críticas em muitos aspectos da estrutura da matéria microscópica e macroscópica; assim se existir, o Bóson de Higgs terá um efeito enorme na compreensão do mundo em torno de nós. 

• O Bóson de Higgs foi predito primeiramente em 1964 pelo físico britânico Peter Higgs, trabalhando as ideias de Philip Anderson. Entretanto, desde então não houve condições tecnológicas de buscar a possível existência do bóson até o funcionamento do Grande Colisor de Hádrons (LHC) meados de 2008. A faixa energética de procura do bóson foi se estreitando e, em dezembro de 2011, limites energéticos se encontram entre as faixas de 116-130 GeV, segundo a equipe ATLAS, e entre 115 e 127 GeV de acordo com o CMS. Em 4 de julho de 2012, anunciou-se que uma partícula desconhecida e com massa entre 125 e 127 GeV/c2 foi detectada; físicos suspeitaram na época que se tratava do bóson de Higgs. Em março de 2013, provou-se que a partícula se comportava, interagia e decaía de acordo com as várias formas preditas pelo Modelo Padrão, além de provisoriamente provar-se que ela possuía paridade positiva e spin nulo, dois atributos fundamentais de um bóson de Higgs, indicando fortemente a existência da partícula.

Fora da comunidade científica, é mais conhecida como a partícula de Deus (do original God particle) devido ao fato desta partícula permitir que as demais possuam diferentes massas - contudo, a tradução literária do inglês seria "a partícula-Deus". Segundo o físico brasileiro Marcelo Gleiser, o título surgiu com o livro do também físico Leon Lederman, que propôs à editora o título Goddamn particle (Partícula maldita), que não tem qualquer vinculação com Deus, e serviria para demonstrar sua frustração em não ter encontrado o bóson de Higgs. Porém Lederman foi convencido a aceitar a mudança por razões comerciais.

O Bóson de Higgs é uma peça fundamental do chamado 

Modelo Padrão da Física.

Detalhes teóricos:

• Quando se busca por sinais de uma física nova, deve-se comparar os dados observados com o que seria esperado observar segundo as teorias conhecidas. O background ou fundo é o conjunto de resultados que os cientistas esperam observar, previstos pelas teorias vigentes, sem incluir nenhum ingrediente novo. Quando é observado um excesso de dados, em uma dada região, em desacordo com o que seria esperado devido ao background ou fundo, considera-se que haja indícios de novos ingredientes, por exemplo uma nova partícula.

O intervalo de confiança é uma medida estatística da porcentagem de vezes que o resultado de um experimento deve estar em um determinado intervalo. Por exemplo, um intervalo de confiança de 95% significa que o resultado de um experimento estaria naquele intervalo em 95% das vezes.

• A maioria das partículas existentes na Natureza, como o bóson de Higgs, é instável e decai, ou seja, se transforma em outras partículas após um certo tempo. Em geral uma partícula pode decair de diferentes modos, em diferentes tipos de partículas. O conjunto de partículas formado é chamado de canal de decaimento. O bóson de Higgs, se existir, deverá decair em diferentes canais, como dois bósons Z, ou um par de bósons W´s, ou dois fótons, entre outros possíveis canais. Para um bóson de Higgs do Modelo Padrão, sabemos exatamente a probabilidade do Higgs decair em cada um de seus canais, dependendo de sua massa. Procura-se por excesso de eventos em cada um destes canais como indício da existência do Bóson de Higgs.

Um evento é como se fosse uma fotografia de uma colisão. Como massa é equivalente a energia (E = m c2 ), em uma colisão a altas energias podem ser formadas partículas pesadas. Estas partículas podem decair em partículas mais leves. As características destas partículas devem ser analisadas para inferir quais partículas massivas foram produzidas e decaíram. O conjunto de todas estas partículas formadas em uma colisão constitui um evento.

• Quando são vistos mais eventos de um determinado tipo do que seria esperado, considera-se que haja um excesso de eventos. Deve-se quantificar estatisticamente (ver Desvio Padrão) este excesso para determinar se podemos interpretá-lo como um sinal de física nova ou apenas flutuação estatística ou obra do acaso. Quando é observado um número de eventos compatível com o background (fundo) pode-se excluir parâmetros da teoria nova que se está procurando.

Por exemplo, se observamos 10 eventos de um certo tipo e fossem esperados 10 eventos pelo background, podemos excluir uma teoria nova que previsse a observação de alguns eventos extras – o grau de certeza de exclusão desta teoria depende de quantos eventos extras esta teoria prediz. Para o bóson de Higgs podemos procurar eventos que indiquem sua produção com uma certa massa. Ao não ser observado excesso de eventos em relação ao fundo com estas características, pode-se excluir a existência do bóson de Higgs com a massa procurada.

• Quando encontramos mais eventos do que o esperado em uma dada região, devemos levar em consideração o efeito de procurar em várias regiões para determinar o significado estatístico deste excesso. Este efeito consiste basicamente no fato de que é mais provável encontrar excesso de eventos devido a flutuações estatísticas em algum ponto qualquer de um gráfico do que em um certo ponto específico. Em outras palavras, as chances de flutuações estatísticas causarem um excesso de eventos em um dado ponto de um gráfico é menor do que a chance de flutuações estatísticas provocarem excesso em um ponto qualquer de um gráfico.

O desvio padrão é uma medida de quão inesperado um certo conjunto de dados é se a hipótese for verdadeira. Costuma-se expressar o desvio padrão em uma unidade chamada de sigma (σ). Quanto maior o número de sigmas, mais incompatível é a medida com a hipótese. Um intervalo de dois sigmas significa que 95,4% dos experimentos devem obter resultados neste intervalo se a hipótese for verdadeira. Portanto um desvio de dois sigmas significa que em apenas 4,6% das vezes este desvio ocorreria devido a flutuações estatísticas, se a hipótese for verdadeira.

• Um intervalo de 5 sigmas significa que 99,99994% das medidas devem cair neste intervalo, ou seja, apenas uma em cada 1.744.278 medidas deve cair fora desse intervalo. Portanto, uma medida que indique um desvio maior do que 5 sigmas em relação ao esperado está invalidando a hipótese de forma muito convincente. No caso do Higgs, estamos interessados em um resultado que nos indique um desvio de 5 sigmas em relação ao esperado pelo Modelo Padrão sem o Higgs. Neste caso, pode-se dizer que o Modelo Padrão sem o Higgs está excluído.

O Modelo Padrão é a teoria que atualmente melhor descreve as partículas elementares existentes e as forças que agem entre elas. Ele abrange todo nosso conhecimento atual da matéria e suas interações.

O mecanismo de Higgs foi proposto independentemente por vários cientistas nos meados da década de 1960 como uma forma consistente de se construir uma teoria contendo partículas com massa. Posteriormente, em 1967, foi incorporado por Weinberg, em uma teoria descrevendo as interações fracas e eletromagnéticas, o hoje chamado de Modelo Padrão. Desde então vem-se buscando descobrir a partícula remanescente desse mecanismo, o bóson de Higgs. Apesar do impressionante sucesso do Modelo Padrão na descrição dos fenômenos eletrofracos, o bóson de Higgs, ingrediente fundamental do modelo, não tem se manifestado nos dados experimentais dos mais diversos aceleradores que participaram dessa busca nos últimos 45 anos.

• O cenário parece estar mudando graças ao excelente desempenho do Large Hadron Collider (LHC) do CERN e de seus dois principais detectores, o Atlas e o CMS, que tem a busca do Higgs como um dos principais itens de sua agenda. A análise dos dados coletados desde o início de sua operação, em março de 2010, parece sugerir que o final dessa história possa estar próximo.

Os experimentos podem mostrar que o bóson de Higgs tem exatamente as mesmas propriedades preditas pelo Modelo Padrão. Ou podem mostrar que possui características um pouco distintas, que podem exigir uma modificação em nosso entendimento atual das interações fundamentais.

O Bóson de Higgs: 

• A partícula chamada Bóson de Higgs é de fato o quantum (partícula) de um dos componentes de um campo de Higgs. No espaço vazio, o campo de Higgs adquire um valor diferente de zero, que permeia a cada lugar no universo todo o tempo. Este valor da expectativa do vácuo (VEV) do campo de Higgs é constante e igual a 246 GeV. 

A existência deste VEV diferente de zero tem um papel fundamental: dá a massa a cada partícula elementar, incluindo o próprio bóson de Higgs. No detalhe, a aquisição de um VEV diferente de zero quebra espontaneamente a simetria de calibre da força eletro fraca, um fenômeno conhecido como o mecanismo de Higgs. Este é o único mecanismo conhecido capaz de dar a massa aos bóson de calibre (partículas transportadoras de força) que é também compatível com teorias do calibre. 

• No modelo padrão, o campo de Higgs consiste em dois campos carregados neutros e dois componentes, um do ponto zero e os campos componentes carregados são os bósons de Goldstone. Transformam os componentes longitudinais do terceiro-polarizador dos bósons maciços de W e de Z. O quantum do componente neutro restante corresponde ao bóson maciço de Higgs. Como o campo de Higgs é um campo escalar, o bóson de Higgs tem a rotação zero. Isto significa que esta partícula não tem nenhum momentum angular intrínseco e que uma coleção de bósons de Higgs satisfaz as estatísticas de Bose-Einstein. 

O modelo padrão não prediz o valor da massa do bóson de Higgs. Discutiu-se que se a massa do bóson de Higgs se encontra, aproximadamente, entre 130 e 190 GeV, então o modelo padrão pode ser válido em escalas da energia toda a forma até a escala de Planck (TeV 1016). Muitos modelos de super-simetria prediziam que o bóson de Higgs teria uma massa somente ligeiramente acima dos limites experimentais atuais e ao redor 120 GeV ou menos. As experiências mais recentes mostram que sua massa está em torno de 125 GeV/c2. 

Medidas experimentais:

• A massa do bóson de Higgs não foi medida experimentalmente. Dentro do modelo padrão, a não observação de sinais desobstruídos em aceleradores de partícula conduz a um limite mais baixo experimental para a massa do bóson de Higgs de 114.4 GeV no nível da confiança de 95%. 

Não o bastante, um pequeno número de eventos foi gravado pela experiência do LEP no CERN que poderia ser como resultado de bósons interpretados de Higgs, mas a evidência é inconclusiva. Espera-se entre os físicos que o Grande Colisor de Hádrons, construído no CERN, confirme ou negue a existência do bóson de Higgs. 

• As medidas de precisão observáveis da força eletrofraca indicam que a massa modelo padrão do bóson de Higgs tem um limite superior de 175 GeV no nível da confiança de 95% até a data de março de 2006 (que usam uma medida acima da massa superior do quark). 

Prêmio Nobel de física 2013:

Em 8 de outubro de 2013 foi anunciada a atribuição do prêmio Nobel de física ao belga François Englert e ao britânico Peter Higgs pela descoberta teórica do mecanismo que explicaria a origem da massa das partículas subatômicas, cuja existência foi recentemente confirmada através da descoberta da partícula de Higgs, pelas experiências conduzidas recentemente no CERN. 

De acordo com o Modelo Padrão, o bóson de Higgs seria o responsável por dotar de massa todas as partículas elementares do universo.