Em termos simples, o bóson de Higgs é a partícula mais cara de todos os tempos. Se, por exemplo, um tubo de vácuo e duas mentes brilhantes foram suficientes para descobrir o elétron, a busca pelo bóson de Higgs exigiu a criação de energia experimental, que raramente é encontrada na Terra. O Grande Colisor de Hádrons dispensa apresentações, sendo um dos experimentos científicos mais famosos e bem-sucedidos, mas seu perfil de partícula, como antes, é envolto em mistério para a maioria da população. Foi chamado de partícula de Deus, no entanto, graças aos esforços de literalmente milhares de cientistas, não temos mais que aceitar sua existência com fé.
Último desconhecido
O que é o bóson de Higgs e qual a importância de sua descoberta? Por que se tornou assunto de tanto hype, financiamento e desinformação? Por duas razões. Primeiro, foi a última partícula não descoberta necessária para confirmar o Modelo Padrão da física. Sua descoberta significou que toda uma geração de publicações científicas não foi em vão. Em segundo lugar, este bóson dá a outras partículas a sua massa, o que lhe confere um significado especial e alguma "mágica". Costumamos pensar emmassa como uma propriedade intrínseca das coisas, mas os físicos pensam o contrário. Em termos simples, o bóson de Higgs é uma partícula sem a qual a massa não existe em princípio.
Mais um campo
A razão está no chamado campo de Higgs. Ele foi descrito antes mesmo do bóson de Higgs, porque os físicos o calcularam para as necessidades de suas próprias teorias e observações, que exigiam a presença de um novo campo, cuja ação se estenderia a todo o Universo. Reforçar hipóteses inventando novos componentes do universo é perigoso. No passado, por exemplo, isso levou à criação da teoria do éter. Mas quanto mais cálculos matemáticos eram feitos, mais os físicos entendiam que o campo de Higgs deveria existir na realidade. O único problema era a f alta de meios práticos de observá-lo.
No Modelo Padrão da física, as partículas elementares ganham massa através de um mecanismo baseado na existência do campo de Higgs que permeia todo o espaço. Ele cria bósons de Higgs, que requerem muita energia, e esta é a principal razão pela qual os cientistas precisam de aceleradores de partículas modernos para realizar experimentos de alta energia.
De onde vem a massa?
A força das interações nucleares fracas diminui rapidamente com o aumento da distância. De acordo com a teoria quântica de campos, isso significa que as partículas envolvidas em sua criação - bósons W e Z - devem ter massa, ao contrário de glúons e fótons, que não têm massa.
O problema é que as teorias de calibre lidam apenas com elementos sem massa. Se os bósons de calibre têm massa, então tal hipótese não pode ser razoavelmente definida. O mecanismo de Higgs evita esse problema introduzindo um novo campo chamado campo de Higgs. Em altas energias, os bósons de calibre não têm massa e a hipótese funciona como esperado. Em baixas energias, o campo causa uma quebra de simetria que permite que os elementos tenham massa.
O que é o bóson de Higgs?
O campo de Higgs produz partículas chamadas bósons de Higgs. Sua massa não é especificada pela teoria, mas como resultado do experimento, foi determinado que é igual a 125 GeV. Em termos simples, o bóson de Higgs confirmou definitivamente a existência do Modelo Padrão.
Mecanismo, campo e bóson levam o nome do cientista escocês Peter Higgs. Embora ele não tenha sido o primeiro a propor esses conceitos, mas, como muitas vezes acontece na física, ele simplesmente foi aquele que os deu nome.
Simetria quebrada
O campo de Higgs foi pensado para ser responsável pelo fato de que partículas que não deveriam ter massa tinham. Este é um meio universal que dota partículas sem massa com massas diferentes. Tal violação da simetria é explicada pela analogia com a luz - todos os comprimentos de onda se movem no vácuo com a mesma velocidade, enquanto em um prisma cada comprimento de onda pode ser distinguido. Esta é, obviamente, uma analogia incorreta, uma vez que a luz branca contém todos os comprimentos de onda, mas o exemplo mostra comoa criação de massa pelo campo de Higgs parece ser devido à quebra de simetria. Um prisma quebra a simetria da velocidade de diferentes comprimentos de onda da luz, separando-os, e acredita-se que o campo de Higgs quebra a simetria das massas de algumas partículas que são simetricamente sem massa.
Como explicar o bóson de Higgs em termos simples? Só recentemente os físicos perceberam que, se o campo de Higgs realmente existe, sua operação exigirá a presença de um portador apropriado com propriedades pelas quais possa ser observado. Supunha-se que esta partícula pertencia a bósons. Em termos simples, o bóson de Higgs é a chamada força portadora, o mesmo que os fótons, que são portadores do campo eletromagnético do Universo. Os fótons, em certo sentido, são suas excitações locais, assim como o bóson de Higgs é uma excitação local de seu campo. Provar a existência de uma partícula com as propriedades esperadas pelos físicos era, de fato, o mesmo que provar diretamente a existência de um campo.
Experiência
Muitos anos de planejamento permitiram que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) se tornasse uma prova de uma possível refutação da teoria do bóson de Higgs. Um anel de 27 km de eletroímãs superpoderosos pode acelerar partículas carregadas a frações significativas da velocidade da luz, causando colisões fortes o suficiente para separá-las em seus componentes, bem como deformar o espaço ao redor do ponto de impacto. De acordo com os cálculos, em uma energia de colisão de nível suficientemente alto, é possível carregar um bóson para que ele decaia, e isso pode servou ver. Essa energia era tão grande que alguns até entraram em pânico e previram o fim do mundo, e a fantasia de outros foi tão longe que a descoberta do bóson de Higgs foi descrita como uma oportunidade de olhar para uma dimensão alternativa.
Confirmação final
As observações iniciais pareciam realmente refutar as previsões, e nenhum sinal da partícula pôde ser encontrado. Alguns dos pesquisadores envolvidos na campanha para gastar bilhões de dólares até apareceram na televisão e afirmaram mansamente o fato de que refutar uma teoria científica é tão importante quanto confirmá-la. Depois de algum tempo, no entanto, as medições começaram a se somar ao quadro geral e, em 14 de março de 2013, o CERN anunciou oficialmente a confirmação da existência da partícula. Há evidências que sugerem a existência de múltiplos bósons, mas essa ideia precisa de mais estudos.
Dois anos após o CERN anunciar a descoberta da partícula, os cientistas que trabalham no Grande Colisor de Hádrons conseguiram confirmá-la. Por um lado, esta foi uma grande vitória para a ciência e, por outro, muitos cientistas ficaram desapontados. Se alguém esperava que o bóson de Higgs fosse a partícula que levaria a regiões estranhas e maravilhosas além do Modelo Padrão - supersimetria, matéria escura, energia escura - então, infelizmente, isso acabou não sendo o caso.
Um estudo publicado na Nature Physics confirmou o decaimento em férmions. O Modelo Padrão prevê que, em termos simples, o bósonO Higgs é a partícula que dá aos férmions sua massa. O detector do colisor CMS finalmente confirmou sua decomposição em férmions - quarks down e léptons tau.
Boson de Higgs em termos simples: o que é?
Este estudo finalmente confirmou que este é o bóson de Higgs previsto pelo Modelo Padrão da física de partículas. Ele está localizado na região de massa-energia de 125 GeV, não tem spin e pode decair em muitos elementos mais leves - pares de fótons, férmions, etc. Graças a isso, podemos dizer com segurança que o bóson de Higgs, em termos simples, é uma partícula que dá massa a tudo.
Decepcionado com o comportamento padrão de um elemento recém-aberto. Se seu decaimento fosse um pouco diferente, estaria relacionado aos férmions de maneira diferente, e novos caminhos de pesquisa surgiriam. Por outro lado, isso significa que não avançamos nem um passo além do Modelo Padrão, que não leva em consideração a gravidade, a energia escura, a matéria escura e outros fenômenos bizarros da realidade.
Agora só podemos adivinhar o que os causou. A teoria mais popular é a supersimetria, que afirma que cada partícula no Modelo Padrão tem um superparceiro incrivelmente pesado (compondo assim 23% do universo - matéria escura). A atualização do colisor, dobrando sua energia de colisão para 13 TeV, provavelmente tornará possível detectar essas superpartículas. Caso contrário, a supersimetria terá que esperar pela construção de um sucessor mais poderoso do LHC.
Outras perspectivas
Então, como será a física depois do bóson de Higgs? O LHC retomou recentemente seu trabalho com melhorias significativas e é capaz de ver tudo, desde antimatéria até energia escura. Acredita-se que a matéria escura interage com a matéria comum apenas por meio da gravidade e da criação de massa, e o significado do bóson de Higgs é a chave para entender exatamente como isso acontece. A principal desvantagem do Modelo Padrão é que ele não pode explicar os efeitos da gravidade - tal modelo poderia ser chamado de Grande Teoria Unificada - e alguns acreditam que a partícula e o campo de Higgs podem ser a ponte que os físicos estão tão desesperados para encontrar.
A existência do bóson de Higgs foi confirmada, mas seu pleno entendimento ainda está muito distante. Os experimentos futuros refutarão a supersimetria e a ideia de sua decomposição na própria matéria escura? Ou eles vão confirmar cada detalhe das previsões do Modelo Padrão sobre as propriedades do bóson de Higgs e acabar com essa área de pesquisa para sempre?
