O que é o bóson de Higgs?

Hoje o CERN sinalizou que finalmente pode ter encontrado o bóson de Higgs. Mas o que é isto, por que alguns o chamam de “partícula de Deus”, e qual sua importância? O Giz explica.

O bóson de Higgs é uma partícula subatômica…

O Modelo Padrão é uma das teorias mais proeminentes (mas não a única) que tenta descrever como o universo é organizado: as partículas que formam os átomos, a matéria que existe, e as forças que agem sobre ela.

O modelo padrão faz parte da física de partículas, dedicada a reduzir nosso universo tão complicado em seus componentes mais simples. Fazemos isso há séculos: começamos com os átomos; depois vieram prótons, nêutrons e elétrons; e finalmente os quarks e léptons.

O modelo padrão postula que a matéria é composta por 12 partículas: seis tipos de quarks, e seis tipos de léptons. Segundo o modelo, quarks e léptons são indivisíveis.

Além dessas partículas, o modelo padrão reconhece quatro forças fundamentais: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca. Cada uma delas tem uma partícula correspondente, que atua sobre a matéria – é o bóson.

…que explica porque existe massa no universo…

Só que essa teoria tem uma grande lacuna: por que algumas partículas têm massa, e outras não? O modelo não explica a existência de massa, só que ela é muito importante. Se não fosse pela massa, todas as partículas fundamentais estariam andando pelo universo à velocidade da luz, sem nunca formar átomos ou matéria.

O mecanismo de Higgs foi proposto em 1964 por seis físicos – entre eles Peter Higgs – para cobrir essa lacuna.

…através do campo de Higgs.

O modelo postula que as partículas não têm massa inerente: na verdade, elas ganham massa passando pelo chamado campo de Higgs. Algumas passam direto por esse campo, sem interagir com ele, e portanto continuam sem massa. Enquanto isso, outras partículas ganham massa: quanto mais elas interagem com o campo, mais pesadas se tornam.

E onde fica esse campo? No universo inteiro. Ele surgiu um trilionésimo de segundo após o Big Bang: todas as partículas criadas não possuíam massa e eram todas iguais. Quando o universo esfriou, criou-se o campo de Higgs, que dá massa às partículas.

Mas, assim como todos os campos de força, ele precisa de uma partícula correspondente. Essa partícula é o bóson de Higgs. Ele é fundamental para a física quântica que conhecemos hoje.

O bóson de Higgs é conhecido por “partícula de Deus”…

O físico Leon Lederman, ganhador do Prêmio Nobel, publicou em 1993 um livro sobre o bóson de Higgs, chamado “A Partícula de Deus: Se o Universo é a resposta, qual é a pergunta?”. No livro, Lederman diz que o bóson de Higgs pode resolver tantos problemas da física, que só poderia ser considerado uma partícula divina. Mas a alcunha “partícula de Deus” só veio porque o editor do livro não gostou da sugestão de Lederman, que queria chamá-la de Partícula Maldita (Goddamn Particle).

O físico tcheco Luboš Motl apoiou o nome “Partícula de Deus”, e traçou um paralelo entre o livro Gênesis, da Bíblia, à formação do espaço de Higgs. Motl é ateu, e descreve aqui a versão “cientificamente correta” da formação do universo.

A expressão “partícula de Deus” é bastante usada pela mídia, mas os cientistas criticam seu uso por diversos motivos – entre eles, por criar um debate religioso onde não há. O físico Henrique Xavier, do Instituto de Física da USP, deixa claro nesta página qual a relação entre a questão teológica e a descoberta do bóson de Higgs: “nada”.

…e pode ter sido descoberto pelo CERN…

Apesar de postulado há cinquenta anos, até hoje ninguém provou empiricamente a existência do bóson de Higgs. Há tempos, cientistas usam colisores de partículas para procurar evidências de que o bóson de Higgs existe. Na verdade, eles nem sabem qual a massa dessa partícula – e o modelo não responde isto.

O que fazer? Verificar, em várias faixas de massa, se existe o bóson de Higgs. Os cientistas conseguiram excluir sua existência em diversas faixas de massa, restringindo-o entre 115 e 141 GeV, ou gigaelétron-volts. (Cientistas medem a massa das partículas como se fosse energia, já que toda massa tem uma equivalência em energia.)

Hoje, o CERN (Centro Europeu de Pesquisas Nucleares) divulga que encontrou “sinais claros de uma nova partícula, ao nível 5 sigma, com massa ao redor de 126 GeV”. 5 sigma significa 99,9999% de certeza, ou seja, trata-se de algo realmente relevante. “Isto é de fato uma nova partícula. Sabemos que deve ser um bóson, e este é o bóson mais pesado já encontrado”, diz o físico Joe Incandela do CERN.

Quer dizer, eles descobriram um novo bóson na faixa de massa do bóson de Higgs, e que se comporta como ele. Então eles acharam a partícula sem sombra de dúvida? Calma. Eles estão bem empolgados, mas ao mesmo tempo cautelosos: “as implicações são bem significativas, e é precisamente por este motivo que precisamos ser extremamente diligentes em todos os nossos estudos”.

…usando o Grande Colisor de Hádrons, ou LHC.

O LHC é o acelerador de partículas do CERN. Ele tem formato de anel, com circunferência de 27km, e fica abaixo do solo na fronteira entre a França e a Suíça. O LHC colide prótons a uma velocidade próxima a da luz para simular as condições do Big Bang. Assim, é possível encontrar partículas e verificar se a teoria do Modelo Padrão está certa.

Mas o bóson de Higgs é difícil de se observar. Acredita-se que ele só apareça em níveis de energia tão altos que só poderíamos gerá-lo usando o LHC. Além disso, o bóson de Higgs decai muito rápido – ou seja, se transforma em outras partículas – e não pode ser visto diretamente. Mas o modelo padrão prevê como o bóson de Higgs decai: se for encontrado o mesmo padrão, a teoria se confirma. Foi isso o que aconteceu: o CERN descobriu um bóson que se comporta como no modelo padrão.

O LHC é usado por dois grupos de pesquisa independentes, o CMS e o ATLAS. Apesar de usarem o mesmo aparelho, os resultados são separados. Mesmo assim, ambos chegaram à mesma conclusão: há uma nova partícula que pode ser o bóson de Higgs.

Agora, os dois grupos vão continuar testando como a nova partícula decai. Se os resultados seguirem conforme o previsto pelo modelo padrão, estará confirmado: trata-se mesmo do bóson de Higgs. Os estudos ainda serão publicados em periódicos científicos.

Mas ele pode não existir…

Pode ser que, aprofundando os estudos, o bóson de Higgs na verdade não exista. Se for o caso, este ano os cientistas param de procurar por ele. “Se percebermos uma falta de eventos em toda a faixa de massa, então claramente nós vamos começar a desfavorecer a presença do modelo de Higgs padrão em dados do LHC”, diz um porta-voz do grupo CMS.

Mas, como lembra o físico Matt Strassler, da Rutgers University, não precisamos de um bóson de Higgs para explicar a massa. Segundo ele, físicos só procuram pela partícula porque é a forma mais fácil de acessar o campo de Higgs.

Se a partícula não existe, há outras possibilidades. Por exemplo, é possível que o campo de Higgs não esteja vinculado a nenhuma partícula. Pode ser que uma quinta força desconhecida dê massa à matéria. Ou pode ser que o segredo se esconda na quarta dimensão. Há diversas teorias alternativas que podem tomar o lugar do bóson de Higgs – basta provar que ele não existe.

…e por mais que exista, ele ainda deixa muitas perguntas em aberto.

Se a existência do bóson de Higgs for confirmada, ainda restam muitas dúvidas. Ele explica a matéria, objeto central do modelo padrão, mas e o restante? Acredita-se que apenas 4% do universo é matéria: o restante seriam matéria escura e energia escura, que podem ser ainda mais difíceis de se observar.

Como lembra o próprio CERN, a jornada continua.

[BBC – How Stuff Works – G1 – Info]

Imagem por Shutterstock