Partícula maldita: Hugs for Higgs

No dia 4 Julho de 2012, além dos tradicionais comemorativos e fogos de artifícios entre os Americanos, os físicos do LHC (grande acelerador e colidor de hadrons) anunciaram a tão esperada descoberta da partícula de Higgs.

Partícula de Higgs
A descoberta no LHC que muito provavelmente é a partícula de Higgs. Credit: CERN/CMS collaboration 2011

Foi a alegria da imprensa, glória dos físicos experimentais, sentimentos conflitantes para os físicos teóricos e não fez a menor diferença para 7 bilhões de pessoas.

A imprensa pegou a péssima referência ao boson de Higgs como sendo a partícula de Deus. Esse nome foi dado ao título de um livro de divulgação científica que trata da história, teoria e a procura experimental dessa componente que faltava ao quebra-cabeça da física das interações fundamentais entre as partículas elementares. O autor queria intitular o livro como Goddamn Particle, (Partícula amaldiçoada em uma tradução livre) mas o editor considerou o título muito forte e agressivo e sugeriu God’s Particle. Ao que parece o autor concordou, inclusive pelo fato da partícula ser onipresente, isto é, essa partícula permearia todo o Universo. Fora o eventual ganho comercial, toda a comunidade de físicos lamenta e esbraveja quando se faz referência ao boson de Higgs como sendo a partícula de Deus, ou pior ainda, partícula divina. A onipresença do boson de Higgs não é diferente da do foton. Isto é, as partículas elementares da luz são tão ou mais onipresentes do que os bosons de Higgs. Admito a grande importância do boson de Higgs “fornecer” massa para algumas partículas, mas todas as partículas têm sua importância no Universo que vivemos.

Do ponto de vista experimental, não se pode deixar de elogiar a descoberta.  A quantidade de energia e precisão na colisão dos protons no LHC são impressionantes. A cada segundo de operação, o LHC produz um Pentabyte (mil Gigabyte) de dados. Não por acaso levou duas décadas e bilhões de Euros até chegar às observações divulgadas. E ainda assim com muito que fazer para dar mais confiança (estatística) e garantir as demais propriedades esperadas dessa partícula.

Na visão da física teórica o anúncio é ao mesmo tempo um alívio (Finalmente!) e apreensão (Não encontraram mais nada?). Vou me atrever explicar com algum detalhe o modelo padrão das interações fundamentais e partículas elementares como  divulgação científica um pouco mais aprofundada do que apenas a ilustração abaixo:

Partículas do modelo padrão das interações fundamentais e partículas elementares.

O resumo é esse: 16 tipos de partículas mais o boson de Higgs conseguem explicar, dentro das margens de erro das observações experimentais, as interações eletromagnéticas e nucleares (forças fracas e fortes). Só a interação gravitacional não é contemplada nesse modelo, que é proporcionalmente a interação mais fraca de todas. Vejam também o excelente infográfico Standard Model of fundamental particles and interactions.

O caminho que os físicos tomaram para chegar a esse modelo é muito interessante.

Convém observar que o termo partícula nesse contexto se refere a uma característica bem definida do ponto de vista matemático, mas não necessariamente é um pedacinho infinitesimalmente pequeno de matéria ou energia. A Física Quântica nos forçou abrir mão de vislumbrar ou medir “objetos” muito localizados e aceitar o conceito de campos e suas transformações no espaço-tempo. Sim, como se não bastassem as interpretações contra intuitivas da Quântica, o modelo padrão incorpora também a Teoria da Relatividade Especial (dos movimentos) de Einstein.

O modelo padrão é a teoria quântica de campos que leva em conta tanto os princípios da mecânica quântica quanto os da Relatividade Especial. A teoria quântica de campos foi desenvolvida por Paul Dirac, Abdus Salam, Steven Weinberg, Sheldon Glashow, Richard Feynman e muitos outros nos anos 1950 e 1960.

A “brincadeira” é a seguinte: Em quântica a gente lida matematicamente com elementos de um espaço vetorial (vetores de Hilbert), mas o que se observa ou mede são as normas ou medidas deles. Assim, vetores distintos (matematicamente) podem representar a mesma observação física. Pense em um número complexo no qual o que importa é apenas o seu módulo. Então vários números complexos podem ter o mesmo módulo, que no plano complexo seria uma circunferência. Se um estado quântico é representado por esse número, dizemos que ele tem uma simetria (global) de fase, z->z’=exp(i t) z. Isto implica que z e z’  têm o mesmo módulo, qualquer que seja t. Agora imagine que esse estado z seja uma função do evento do espaço-tempo r. Essa dependência r não pode ser arbitrária pois as transformações de translação ou rotação não devem alterar as observações. Isto implica que z(r) -> z'(r’) em que r->r’  por uma transformação de Poincaré (ou transformação não homogênea de Lorentz). A teoria deve ter uma simetria apropriada sobre essas transformações possíveis de Poincaré. Misturar ambas as possibilidades de simetrias e torná-las locais exigiu criatividade dos físicos pós segunda guerra mundial, mas a teoria do modelo padrão mostrou que é possível descrever estados quânticos que respeitem as simetrias sob transformações de Poincaré e transformações de fase (gauge). A teoria foi desenvolvida para partículas livres, sem interações, e aos poucos para partículas em interações por processos similares aos que entendemos por colisão de partículas ou espalhamento.

Para isso há uma distinção muito clara entre estados (partículas) que não tenham massa daquelas que tenham massa e estados (partículas) com estruturas “internas” que sejam reveladas por rotações (spin).

Partículas de massa zero não têm inércia e viajam sempre com a velocidade da luz. Além disso, elas têm dois (e apenas dois) estados distintos equivalentes às polarizações do campo eletromagnético ou helicidade para um dado nível de energia.

Partículas de massa maiores do que zero viajam com velocidade inferior à velocidade da luz e podem ser caracterizadas pelo spin; que tem características similares ao momentum angular, mas toma valores discretos – podem ser inteiros ou semi-inteiros da constante de Planck.

Assim, uma partícula livre pode ser caracterizada por |m,s> em que m é a massa e s=0, 1/2, 1, 3/2 etc (de meio em meio) ou por |E, h> em que E é a energia da partícula sem massa e h é a helicidade que pode ser + ou – .

As partículas de spin inteiros são chamadas de bosons em homenagem ao físico Bose e as de spin semi-inteiros são fermions em homenagem a Fermi.

Os bosons e os fermions têm comportamento grupal (estatística) muito diferentes. Os bosons podem se sobrepor em um determinado evento do espaço-tempo, já o fermions não pois obedecem o princípio de exclusão de Fermi. Isto é, não é possível ter dois fermions no mesmo lugar ao mesmo tempo enquanto que os bosons não sentem essa proibição.

No diagrama acima, os quarks e os leptons são partículas (de matéria) de spin 1/2 e as partículas de interação são bosons de spin 0 ou 1. E nesse contexto o boson de Higgs tem spin 0. Para completar a descrição das partículas elementares precisamos indicar as respectivas cargas elétricas.

Em resumo, o cenário para o modelo padrão está colocado. Os modelos dos anos 50 tinham propostas interessantes para explicar as interações nucleares fracas de maneira semelhante às interações eletromagnéticas com base nos grupos de simetrias das partículas de matéria fermiônicas em interação umas com as outras através das partículas bosônicas de interação. Mas enquanto a partícula de interação eletromagnética, o foton, não tem massa, as partículas das interações nucleares precisam ter massa. Por causa da massa das partículas de interação como Z e W a força nuclear fraca tem curto alcance. Essa interação é a responsável pelo decaimento radioativo Beta, por exemplo, no qual um neutron decai em um proton, um eletron e um (anti)neutrino intermediado pelo boson W . Dessa forma, a teoria precisava, do ponto de vista matemático, de um procedimento para diferenciar o caso do foton sem massa dos casos do Z e W com massa.

É aí que entra o Higgs, o físico. Ele propôs uma nova partícula que interage com as partículas que reconhecemos que devem ter massa. É pela interação com essa partícula onipresente que as partículas obtêm a inércia, isto é, a massa.

Nesse sentido, o cenário que se começa é o de simetria das partículas sem massa e a partícula de Higgs quebra essa simetria: algumas partículas têm massa e outras não. O próprio boson de Higgs tem massa graças a uma auto interação!

O boson de Higgs fornece massa para as partículas

Essa massa do boson de Higgs, de acordo com as descobertas anunciadas nesse 4 de Julho, está entre 125 e 126 GeV.

A observação não é direta. O LHC força a colisão (frontal) de proton e anti-protons. Com tanta energia e nenhum spin nem carga é possível ter um estado de quarks e gluons com um estado intermediário de quarks que recebem massa de Higgs,  se aniquilam e emitem 2 fotons de alta energia ou 2 pares de leptons, como eletrons e anti-eletrons, para cada partícula de Higgs. Os detectores do acelerador detectaram consistentemente fotons e alguns leptons que totalizam aquela energia. Em símbolo essas são os possíveis canais para o boson de Higgs: H -> γγ e  H-> 4l.

Vejam o gráfico abaixo. O sinal da existência do boson provável de Higgs está aí. O gráfico pode parecer pouco pois resume muito cruelmente uma quantidade enorme de dados. Mas é um sinal com mais de 94% de confiança, ou melhor, as chances de que isso seja espúrio por puro azar é de uma um milhão.

CMS 7 TeV + 8 TeV diphoton channel CMS.
Source: Phil Gibbs

E agora?

Resta tirar toda e qualquer dúvida de que é o boson de Higgs do modelo padrão. Para isso, outras formas de decaimento teóricos devem aparecer nos dados obtidos ou por obter em breve.

O modelo padrão não é perfeito sob vários aspectos, em particular por não contemplar a gravitação conhecida pela Relatividade Geral de Einstein. E por várias razões há muitas propostas de teorias que aumentariam a abrangência de validade do modelo padrão ou a tornaria mais coerente em termos matemáticos e estéticos (de simetrias por exemplo), como supersimetria, supercordas, dimensões extras, supermenbranas etc.

Algumas dessas propostas teóricas perderam muito de seu apelo em virtude das observações recentes, inclusive essa do boson provável de Higgs. See this comment from Peter Woit.

De qualquer forma, como cientistas e físicos, devemos sair para o abraço. Hugs for Higgs!

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