O Premio Nobel de Física de 2013

Englert e Higgs

Como esperado, o premio Nobel de física deste ano está relacionado à descoberta do bóson de Higgs em julho de 2012. Muitos teóricos estão relacionados à concepção e ao desenvolvimento das idéias de como gerar massa para campos de gauge de massa nula, e um número muito maior de experimentais estão relacionados à construção dos equipamentos instalados no CERN que finalmente comprovaram a existência do bóson de Higgs. O comitê do Nobel certamente estava num dilema de como premiar a descoberta do Higgs. Optaram pela escolha mínima: premiou os dois teóricos que geraram as idéias iniciais, François Englert e Peter Higgs. O primeiro trabalho a propor o que é conhecido atualmente como o mecanismo de Higgs foi publicado em 1964 por dois físicos belgas, Robert Brout e François Englert. Logo a seguir, ainda em 1964, o físico inglês Peter Higgs publica um trabalho com idéias semelhantes. Os belgas explicam como o mecanismo pode operar para a força fraca, responsável pelo decaimento beta, e Peter Higgs mostra que é necessário que exista uma partícula com certas propriedades, que agora leva seu nome. Um terceiro trabalho, feito pelos americanos Gerald Guralnik e Carl Hagen e pelo inglês Tom Kibble, contribuiram para o desenvolvimento dessas idéias que hoje em dia fazem parte do modelo padrão das partículas elementares. O bóson de Higgs foi encontrado no LHC nos experimentos do CMS e do ATLAS em 2012, mas antes disso foram descobertas outras partículas que também fazem parte do mecanismo de Higgs como os bósons W e Z, que possuem massa geradas pelo bóson de Higgs. Como o Nobel não é concedido postumamente Robert Brout não foi condecorado. Guralnik, Hagen e Kibble são reconhecidos pelas suas constribuições mas como o Nobel é concedido  no máximo para três pessoas eles ficaram de fora. Talvez o CMS e ATLAS ainda ganhem o Nobel pela descoberta de 2012. Vamos aguardar. 

O Higgs, finalmente.

Detectar uma partícula elementar é uma arte. Quando os prótons colidem no LHC produzem milhares de partículas, como na figura ao lado, e há um trabalho enorme em identificar entre elas aquela que queremos estudar. Mas isso não é suficiente. Temos que ter certeza de que ela tem as propriedades previstas pelo modelo padrão das partículas elementares, e se não tiver essas propriedades, o que seria a descoberta de uma nova partícula, teríamos que determinar suas propriedades.

Em julho do ano passado o CERN anunciou a descoberta de uma partícula que poderia ser o Higgs. Porque não anunciaram que a partícula é de fato o Higgs do modelo padrão? A razão para isso é que só foi possível determinar poucas propriedades da partícula recém descoberta. O Higgs é a partícula que gera massa para os bósons W e Z, descobertos no século passado. (Um aparte: veja que o Higgs não gera massa para o fóton, que é uma partícula de massa nula, mostrando que o Higgs não gera massa para todas as partículas como é muitas vezes afirmado.) O Higgs, portanto, deve decair nos bósons W e Z com diferentes taxas de decaimento. Com os dados coletados até Julho do ano passado foi possível detectar o decaimento da nova partícula nos Z´s mas não havia dados suficientes para encontrar o decaimento nos W´s. Daí o anúncio reticente. Na conferência de Moriond neste mês de Março foi anunciado que após uma coleta de mais dados foi possível detectar o decaimento do Higgs nos W´s. Mais uma razão para acreditar que a nova partícula é de fato o Higgs.

O que aconteceu com o decaimento do Higgs em dois fótons discutido no post anterior? Esse é outra propriedade importante a ser determinada para termos certeza de se trata do Higgs previsto pelo modelo padrão. No ano passado os dados indicavam que havia um excesso na produção de dois de fótons no decaimento do Higgs. Na sema passada o ATLAS anunciou que o excesso de fótons estava desaparecendo a medida que mais dados eram analisados. E agora o CMS anunciou a mesma coisa. A partícula detectada no LHC parece mesmo ser o Higgs do modelo padrão. As esperanças de que fosse um Higgs diferente do modelo padrão, que indicaria a existência de nova física, como a supersimetria, parece estar morrendo rapidamente.

Outras propriedades importantes para caracterizar uma partícula elementar são o spin e a paridade. As partículas bosônicas possuem spin inteiro, como o fóton que tem spin 1, enquanto as fermiônicas possuem spin semi-inteiro, como o elétron com spin 1/2. A paridade fornece informações do que aconteceria se fosse  possível observar o decaimento através de um espelho. O vetor posição, por exemplo, tem paridade -1 já que suas componentes vistas no espelho são revertidas. A energia ou a massa, por exemplo, tem paridade +1 pois não mudam quando vistas no espelho. O modelo padrão requer que o bóson de Higgs tenha spin zero e paridade +1.Os dados coletados mostram exatamente esses atributos para a partícula detectada  isso foi anunciado em Moriond. Mais um teste que o Higgs passa.

É dessa forma vagarosa que a ciência avança. A coleta de dados e sua análise é essencial para a compreensão da Natureza. Agora já podemos chamar a partícula descoberta de Higgs. Finalmente... A única coisa a lamentar é que nada mais tenha sido descoberto no LHC até agora. Na próxima semana o satélite Planck deve divulgar seus dados sobre a radiação cósmica de fundo. Vamos ver se algo mais excitante vai aparecer.

Nada de Novo Sobre o Higgs

Está chegando ao fim a conferência Reencontres de Moriond. Esperava-se que novidades sobre o Higgs fossem apresentadas. Como comentado num post anterior, a taxa de decaimento do Higgs em dois fótons era ligeiramente maior do que aquele predito pelo modelo padrão das partículas elementares. O erro experimental, porém, era grande e mais dados seriam necessários para confirmar a descoberta. Se esse sinal fosse confirmado indicaria em que direção o modelo padrão deveria ser modificado para explicar esse comportamento anômalo. Essa era a grande expectativa! Nesta semana, entretanto, em Moriond, o experimento ATLAS  anunciou que os erros da medida dessa taxa de decaimento diminuíram bastante mas o sinal também diminuiu de forma que o Higgs apresenta todas as propriedades preditas pelo modelo padrão. Outro grupo experimental, o CMS, também fez as mesmas medidas mas ainda não concluiu a análise dos dados. Talvez façam algum anúncio a partir da próxima semana. Só resta esperar...

Naturalidade, Constante Cosmológica e Higgs

Os físicos começam a suspeitar que algo não vai bem quando os parâmetros de uma teoria possuem valores relativos muito diferentes de 1. Isso não é natural. É claro que não há um meio de quantificar a naturalidade e é apenas uma maneira de expressar a nossa insatisfação com algo que desconhecemos. Um exemplo típico é a constante cosmológica. A expansão acelerada do Universo é causada por um mecanismo ainda desconhecido e que é chamado de energia escura. Uma possível causa para a energia escura seria a presença da constante cosmológica nas equações de Einstein da relatividade geral. Essa constante dá origem a uma expansão acelerada para o Universo. O valor da constante cosmológica determinada pelas experiências é muito pequeno e se o expressarmos em termos de unidades de Planck (onde a velocidade da luz é 1, a constante de Planck é 1, e a constante da gravitação universal de Newton também é 1) o seu valor é 1/10¹²². Esse valor é muito pequeno, muito próximo de zero, e não é natural. Além disso, se calcularmos o valor da constante cosmológica na teoria quântica de campos, levando em conta as flutuações quânticas do vácuo, encontraríamos o valor 1, que é natural. A discrepância entre o valor teórico e o valor experimental é  enorme: 10¹²², talvez a maior discrepância entre teoria e experimento já encontrado na física. Este é o problema da constante cosmológica e que ainda não foi solucionado.

A massa do bóson de Higgs, determinada pelo LHC, é de cerca de 125 GeV, que em unidades de Planck resulta em 1/10¹⁷ que é um número muito pequeno, mas não tão pequeno quanto a constante cosmológica. Porém, se levarmos em conta as flutuações quânticas do vácuo na teoria quântica de campos, o valor que encontramos é 1. Novamente temos um problema de naturalidade. Diferentemente do que acontece com a constante cosmológica, há uma maneira de explicar esse valor pequeno da massa do Higgs: a supersimetria. Nas teorias supersimétricas, que contém tanto bósons (partículas de spin inteiro) quanto férmions (partículas com spin semi-inteiro), ocorre um cancelamento das flutuações quânticas entre bósons e férmions. Isso significa que a massa do Higgs não deve ser 1 mas pode ter qualquer valor. Entretanto, a supersimetria prevê a existência de uma quantidade enorme de outras partículas, que foram procuradas no LHC, e até agora ainda não foram encontradas. Por um lado necessitamos da supersimetria para garantir que a massa do Higgs seja pequena, mas por outro lado, não encontramos partículas supersimétricas! Mais um problema a procura de solução na física. Um artigo publicado hoje no The Guardian comenta o assunto.

Higgs e Supersimetria

Dados coletados no Fermilab podem ser interpretados como evidência de um dos vários bósons de Higgs previstos por uma extensão supersimétrica do modêlo padrão. Se isto se confirmar teríamos duas grandes descobertas feitas simultâneamente: Higgs e supersimetria! De qualquer forma, temos que esperar o LHC para a confirmação. Mais detalhes no PhysicsWeb.