Joseph Norman
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Hoje é um bom dia para física.
Dois novos resultados divulgados hoje (4 de junho) encontraram o bóson de Higgs aparecendo junto com a partícula mais pesada já descoberta. E os resultados podem nos ajudar a entender melhor um dos problemas mais fundamentais da física - por que a matéria tem massa.
As descobertas foram divulgadas na conferência Large Hadron Collider Physics 2018 em Bolonha, Itália. A descoberta foi realizada independentemente por dois experimentos (A Toroidal LHC Apparatus, ou ATLAS, e Compact Muon Solenóide, ou CMS) usando dados registrados no Large Hadron Collider (LHC), localizado no laboratório CERN na Suíça. Esses resultados estão disponíveis ao público em dois artigos, um recém-enviado para publicação e outro recém-publicado.
Caça à missa
A caça ao Higgs e as origens da missa têm uma história fascinante. Em 1964, vários grupos de cientistas, incluindo o físico britânico Peter Higgs e o físico belga François Englert, previram que a massa das partículas subatômicas fundamentais surgia por meio de interações com um campo de energia agora chamado de campo de Higgs. O campo de energia permeia o universo. As partículas que interagem mais com o campo são mais massivas, enquanto outras interagem pouco com o campo e outras nem tanto. Uma consequência dessa previsão é que uma partícula subatômica chamada bóson de Higgs deve existir. [6 Implicações de encontrar o bóson de Higgs]
Depois de quase 50 anos de pesquisa, os pesquisadores do LHC encontraram o bóson de Higgs em 2012. Por sua previsão bem-sucedida, Higgs e Englert compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 2013.
A partícula subatômica fundamental mais pesada conhecida é o quark top, descoberto em 1995 no Fermilab, localizado a oeste de Chicago. Existem seis quarks conhecidos. Dois são estáveis e localizados no centro de prótons e nêutrons. Os outros quatro são instáveis e são criados apenas em grandes aceleradores de partículas. Um único quark top tem uma massa comparável a um átomo de tungstênio.
Medição evasiva
No anúncio de hoje, os cientistas descreveram uma classe de colisões em que um par de matéria quark / antimatéria superior foi criado simultaneamente com um bóson de Higgs. Essas colisões permitem aos cientistas medir diretamente a força de interação entre os bósons de Higgs e os quarks top. Como a interação de uma partícula com o campo de Higgs é o que dá à partícula sua massa, e como o quark top é a partícula subatômica fundamental de maior massa, o bóson de Higgs interage mais fortemente com o quark top. Consequentemente, as interações deste tipo são um laboratório ideal para fazer estudos detalhados das origens da massa.
Essa medição foi particularmente desafiadora. A descoberta do bóson de Higgs em 2012 envolveu apenas um punhado de colisões. As colisões em que os bósons de Higgs e os quarks top são produzidos simultaneamente acontecem apenas em 1% das colisões em que um bóson de Higgs é produzido. Quando se inclui a grande variedade de maneiras pelas quais os quarks top podem decair, essa análise exigiu dezenas de análises independentes, envolvendo centenas de pesquisadores. As análises foram então combinadas em uma única medição. Esta foi uma conquista muito difícil.
Antes dessa medição, não era possível medir diretamente a força de interação de um quark top e bósons de Higgs. Os bósons de Higgs têm massa de 125 GeV (bilhões de elétron-volts) e o quark top tem massa de 172 GeV. Portanto, um par quark / antiquark top tem uma massa de 344 GeV, que é maior que a massa do bóson de Higgs. Portanto, é impossível para um bóson de Higgs decair em um par quark / antiquark top. Em vez disso, um par quark / antiquark top é criado e uma dessas duas partículas emite um bóson de Higgs. Cada quark top decai em três partículas, e o bóson de Higgs decai em duas. Assim, após o decaimento das partículas, existem oito produtos de decaimento diferentes encontrados no detector, que devem ser atribuídos corretamente. É um conjunto de dados muito complexo. [Estranhos Quarks e Muons, Oh meu Deus! Partículas mínimas da natureza dissecadas]
Também é um tipo muito raro de interação. Os cientistas examinaram cerca de um quatrilhão (10 elevado à potência de 15) colisões entre pares de prótons para identificar um mero punhado de colisões com as características necessárias.
Mistérios residuais
Embora a descoberta do bóson de Higgs e as medições subsequentes levem os pesquisadores a acreditar que a teoria escrita pela primeira vez em 1964 por Higgs e Englert e outros está correta, permanecem alguns mistérios residuais significativos. Entre eles: Por que o bóson de Higgs tem a massa que tem? E por que existe um campo de Higgs afinal? Em primeiro lugar, está o fato de que a teoria de Higgs não é motivada por uma estrutura teórica mais profunda. É simplesmente adicionado. Em sua forma mais simples, o Modelo Padrão (que é a principal teoria das interações subatômicas) prevê que todas as partículas subatômicas fundamentais não têm massa. Isso está em contradição direta com as medições. A teoria de Higgs é adicionada, como uma espécie de band-aid teórico, ao modelo padrão. Como a teoria de Higgs pode explicar a massa dessas partículas, a teoria de Higgs agora foi incluída no Modelo Padrão.
Mas ainda é um Band-Aid, e essa é uma situação insatisfatória. Talvez, estudando as interações entre os bósons de Higgs e as partículas com as quais eles interagem mais fortemente, vamos descobrir alguns comportamentos que apontam para uma teoria subjacente mais profunda e explicativa.
Além disso, o valor numérico da massa do bóson de Higgs é um pouco misterioso. O campo de Higgs dá massa às partículas subatômicas fundamentais, incluindo o próprio bóson de Higgs. No entanto, a história é mais complexa do que isso. Por causa dos efeitos da mecânica quântica, o bóson de Higgs pode se transmutar temporariamente em outras partículas subatômicas, incluindo o quark top. Enquanto o bóson de Higgs está neste estado transmutado, essas partículas temporárias podem interagir com o campo de Higgs e, assim, alterar indiretamente a massa do bóson de Higgs. Quando esses efeitos são levados em consideração, a massa prevista e medida do bóson de Higgs está em desacordo selvagem. Este é um mistério urgente para a física moderna e, esperançosamente, melhores medições das interações dos bósons de Higgs irão lançar luz sobre este enigma.
Embora o anúncio de hoje envolva apenas um pequeno número de colisões nas quais quarks top e bósons de Higgs são criados, no futuro será possível estudar esse processo com muito maior precisão. O LHC está operando de forma excelente, mas até o final de 2018, ele terá entregue apenas 3 por cento dos dados que deve entregar. No final de 2018, o LHC ficará fechado por dois anos para atualizações e reformas. Em 2021, o colisor retomará as operações com ímpeto, operando até 2030. Nesse período, os cientistas esperam registrar 30 vezes mais dados do que os coletados até o final deste ano.
É difícil saber o que iremos encontrar. O LHC e os detectores associados são peças extraordinárias de tecnologia e é realmente provável que entreguem ainda mais dados do que o previsto. Com tantos dados, é bem possível que os cientistas descubram algum fenômeno novo que não foi descoberto, mas que exigirá que reescrevamos os livros didáticos. Isso não é uma garantia, mas uma coisa é certa: o anúncio de hoje mostra um caminho claro para compreender melhor as origens da massa.
Nota do editor: Don Lincoln é pesquisador de física do Fermilab. Ele é o autor de "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014) e produz uma série de vídeos de educação científica. Siga-o no Facebook. As opiniões expressas neste comentário são dele.