O Higgs gera a massa de tudo?

Higgs no CMS

Essa é uma pergunta que tem sido feita frequentemente depois da sensacional descoberta do Higgs. Para poder compreender o que acontece é necessário irmos devagar e entender vários aspectos importantes.

Primeiro é necessário compreender o que é massa. Na física Newtoniana estamos acostumados com a massa inercial que é uma medida de como um corpo responde quando uma força atua sobre ele. A segunda Lei de Newton nos diz que  a = F/m de forma que se aplicarmos a mesma força em dois corpos, aquele que tiver massa menor terá mais aceleração do que o corpo com massa maior. Usualmente usamos a força da gravitação para medir a massa quando colocamos o corpo sobre uma balança. Já na relatividade restrita massa é apenas uma forma de energia. Quando um corpo de massa m está parado ele possui energia de repouso dado por E = mc². Se ele estiver em movimento sua energia aumenta e vai depender da velocidade do corpo. Portanto, se conhecermos a energia de uma partícula parada sabemos a sua massa. Existem partículas de massa nula, como o fóton e os glúons, que movem-se sempre com a velocidade da luz. Não é possível para-las para medir sua massa. A massa delas é sempre zero.

O segundo conceito importante é o de campo. Estamos acostumados, por exemplo, com as linhas de campo magnéticos produzido por um imã como na figura ao lado. O campo magnético é sempre tangente as linhas de campo. Porém, quando a mecânica quântica é combinada com a relatividade restrita aprendemos que devemos associar um campo a toda partícula elementar. Por exemplo, existe um campo chamado campos de Dirac que permeia todo o universo. Quando esse campo recebe energia suficiente para ser excitado ele cria uma partícula associada a esse campo, que pode ser um elétron ou um pósitron (a anti-partícula do elétron). O campo eletromagnético cria partículas chamadas fótons que são as partículas de luz. O campo de quarks gera os quarks e assim por diante. A noção de campo é extremamente importante pois explica porque todos os elétrons são iguais, não importa se ele foram criados aqui no Brasil, no Japão, na Lua ou em alguma estrela distante. Todos são exatamente iguais porque são excitações do mesmo campo de Dirac. O mesmo raciocínio vale para o fóton, quarks e naturalmente para o Higgs. Portanto, quando se fala na partícula de Higgs devemos ter em mente que existe um campo de Higgs que quando excitado (como aconteceu no LHC) gera a partícula de Higgs.

Sabemos que uma partícula eletricamente carregada sente uma força quando colocada num campo elétrico, como na figura ao lado, e dizemos que há uma interação entre eles. Na linguagem de campos afirmamos que o campo de Dirac interage com o campo eletromagnético. Dessa maneira, os elétrons podem ganhar ou perder energia ao interagir com o campo eletromagnético.  Elétrons e prótons são partículas eletricamente carregadas que geram um campo eletromagnético e interagem entre si, podendo formar átomos de hidrogênio. Da mesma forma, o campo de quarks interage com o campo de glúons e podem formar um próton ou um nêutron. Essas interações entre campos e descrito por uma teoria quântica de campos. O modelo padrão das partículas elementares, que previu a existência do Higgs, é uma teoria quântica de campos.

Acontece que o campo de Higgs interage com os elétrons, os quarks, as partículas W e Z além de outras partículas de uma forma bastante peculiar. Ela transfere a energia do campo de Higgs para essas partículas na forma de massa. Lembre-se que massa é apenas uma forma de energia. Essas partículas elementares seriam partículas sem massa se o Higgs não existisse mas na presença do Higgs tornam-se massivas. As massas geradas dependem de como as partículas interagem com o Higgs e em geral são diferentes entre si. O modelo padrão das partículas elementares conseguiu, por exemplo, prever a massa dos W e Z antes de serem descobertos.

Poderíamos imaginar que como o Higgs gera massa para elétrons e quarks e como os quarks formam prótons e nêutrons, que por sua vez se combinam com os elétrons para formar átomos, então o Higgs geraria massa para tudo. Isso não é verdade. Num próton ou num nêutron, que são compostos por quarks interagindo com glúons, 99% da massa de um próton ou nêutron é gerado pela energia cinética dos quarks mais a energia de interação entre quarks e glúons. Lembre-se do início deste post, massa é uma forma de energia! A contribuição do Higgs para a massa de um átomo é de apenas cerca de 1%. Mas ele pode ser responsável por grande parte da matéria escura... que é outra história.

Inversão Temporal Detectada Diretamente

A inversão (ou reversão) temporal T é uma das características que distingue a força fraca das outras forças fundamentais, junto com a violação da simetria de conjugação de carga C e da paridade (ou reversão espacial) P. A violação CP foi detectada e confirmada inúmeras vezes. Uma consequência do teorema CPT, que garante que a conservação do produto das três operações, é que a violação de CP implica na violação de T. Esta última, entretanto, é muito mais difícil de ser observada. Usando o emaranhamento quântico dos mésons B uma equipe do SLAC conseguiu detectar a violação T. Apesar do acelerador do SLAC estar fora de operação há alguns anos, continua a produzir física de alta qualidade.

Cadê a Susy?

O LHCb, um dos cinco detectores do Large Hadron Collider, acabou de anunciar o resultado da coleta de dados do decaimento de méson Bs (mésons compostos de um anti-quark bottom e um quark strange) num par de múons. Esse decaimento é extremamente raro, três eventos a cada bilhão de decaimentos, mas foi finalmente observado depois de 30 anos de pesquisa.  As medidas são compatíveis com as previsões do modelo padrão das partículas elementares e esse é o problema. A descoberta de uma taxa de decaimento diferente daquele antecipado pelo modelo padrão seria um sinal claro de que algo além do modelo padrão estaria se manifestando. Muitos esperavam encontrar um sinal da supersimetria nesses dados e isso não aconteceu. A consequência é uma guerra na mídia entre os que apoiam a supersimetria e aquelas que a detestam. Veja a BBC, New Scientist e alguns blogs. É claro que ainda é muito cedo para descartar a supersimetria mas o espaço para ela está diminuindo como era esperado com o anúncio de novos dados experimentais. Além disso, é necessário aguardar a confirmação dessa descoberta pelo CMS, o que deverá ocorrer dentro de alguns meses.

Novo Tipo de Raios Cósmicos Descoberto no Centenário dos Raios Cósmicos

Raios cósmicos

Os raios cósmicos foram descobertos há um século atrás pelo físico austríaco Victor Franz Hess. Quando a radiação natural era medida com um contador Geiger verificava-se que ela diminuía com a altitude. Experiências feitas em Paris mostravam que a radiação no topo da torre Eiffell era menor no que na sua base. Para tentar compreender o que acontecia foram lançados balões para medir a radiação em altitudes cada vez maiores. A partir de uma certa altitude a radiação aumentava fortemente de forma que não poderia provir da Terra. Hess concluiu que essa radiação tinha origem no espaço extra-terrestre e deu a ela o nome de raios cósmicos. As pesquisas em física moderna no Brasil foram iniciadas precisamente com o estudo de raios cósmicos  na USP e no Rio de Janeiro.

Hoje em dia sabe-se precisamente qual a origem dos raios cósmicos mais energéticos. Quando certas estrelas chegam ao final de sua vida e explodem tornam-se supernovas. A matéria da estrela é ejetada com velocidades supersônicas produzindo ondas de choque que aceleram núcleos atômicos. Esses núcleos altamente energéticos viajam pelo espaço até chegar na atmosfera terrestre onde colidem com a alta atmosfera produzindo uma radiação intensa.

Os raios cósmicos de baixa energia não são detectados na Terra porque o vento solar impedem que eles entrem na heliosfera. Por isso as propriedades químicas e o fluxo desses raios cósmicos são poucos conhecidos apesar de haver vários indícios de que eles tem um papel importante na ionização e aquecimento de nuvens interestelares densas e possivelmente na formação de estrelas.

XMM-Newton

Usando o satélite europeu de raios-X XMM-Newton, pesquisadores do CNRS e CEA descobriram uma nova fonte de raios cósmicos na vizinha do aglomerado de Arches no centro da Via Láctea. Eles foram produzidos através da aceleração devido às ondas de choque geradas por milhares de estrelas jovens que possuem velocidades ao redor de 700.000 Km/h. A colisão dos raios cósmicos com o gás interestelar produzem raios-X típicos que foram detectados pelo XXM-Newton.

É a primeira vez que uma fonte de raios cósmicos de baixa energia é descoberto fora do sistema solar. Mostra que as ondas de choque de supernovas não são a única maneira de produzir a aceleração de núcleos atômicos na nossa galáxia. Isso indica que é possível identificar novas fontes de íons no meio interestelar e pode levar a uma melhor compreensão do papel dessa partículas na formação de estrelas.

O Prêmio Nobel de Física de 2012

David J. Wineland

Serge Haroche

O prêmio Nobel de física de 2012 foi concedido à Serge Haroche do Collége de France e David J. Wineland do NIST e da Universidade do Colorado em Boulder, pelo desenvolvimento de técnicas experimentais que permitiram a manipulação e medidas de sistemas quânticos individuais. Essencialmente eles provaram experimentalmente, que o princípio da superposição, um dos postulados básicos da mecânica quântica, é válido. Para isso prepararam sistemas quânticos numa superposição linear de estados e mostraram como é possível analisar tais estados experimentalmente. Wineland ficou famoso por suas técnicas de resfriamento de íons com o uso de laser para formar uma armadilha de quadrupolo, para a preparação de estados emaranhados. Haroche é conhecido por ser  capaz de colocar fótons em caixas com espelhos nos quais os fótons são refletidos bilhões de vezes antes de serem absorvidos e dessa forma medir o emaranhamento dos fótons com os átomos e a decoerência quântica. Esses são aspectos fundamentais da mecânica quântica que algum dia poderão ser aplicados na construção de um computador quântico. O Serge Haroche deu um colóquio muito bom sobre processos decoerência aqui no Instituto de Física da USP em 2011. Para assistir o vídeo clique aqui.

Muita gente estava pensando que o Nobel deste ano iria para a descoberta do Higgs. Acontece que a indicação para o prêmio Nobel sempre encerra-se no início do ano e em 2012 foi terminada em fevereiro, antes da descoberta. Mas para o próxima ano o Higgs é um concorrente muito forte.