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.

O Higgs foi descoberto. O que acontece agora?

O anúncio da descoberta do Higgs foi feito com grande cautela. Os dois grupos, ATLAS e CMS anunciaram a descoberta de uma partícula de massa entre 125 e 126 GeV que possui propriedades semelhantes aquelas previstas para o Higgs do modelo padrão das partículas elementares. Ainda é necessário verificar se essa partícula possui todas as propriedades que o Higgs deve ter e para isso é necessário acumular mais dados experimentais no LHC. Uma propriedade importante é  o spin da partícula. O Higgs do modelo padrão tem spin zero. Os dados do LHC mostram que a partícula descoberta é um bóson (possui spin inteiro) e o fato dela decair num par de fótons indica que ela pode ter spin 0 ou 2. Como é muito difícil produzir partículas de spin 2 num acelerador acredita-se que o spin da partícula é 0. Mas mesmo determinando-se que se trata de uma partícula de spin 0 poderia não ser o Higgs do modelo padrão. 

O Higgs do modelo padrão deveria decair em partículas tau cerca de 6% do tempo mas aparentemente a taxa detectada é bem menor. Ainda é necessário a coleta de mais dados para termos certeza que essa taxa de decaimento não é devido a uma mera flutuação estatística.  Se for confirmada, indicaria a existência de um Higgs de uma teoria que não é o modelo padrão usual, mas sim de uma extensão do modelo padrão. 

De acordo com o modelo padrão o Higgs é a partícula responsável pela massa de todos os bósons (partículas com spin inteiro) e férmions (partículas com spin semi-inteiro). Mas se o Higgs não está decaindo em taus, que são férmions, ele provavelmente não está gerando massa para eles, e talvez gere massa apenas para os bósons. Nesse caso, seria necessário um mecanismo para gerar massa para os férmions também. Esse mecanismo existe e é conhecido como supersimetria. Se confirmada a ausência de decaimento do Higgs em taus teríamos uma forte indicação da existência da supersimetria. De fato a supersimetria prevê a existência de mais de um Higgs. 

Outro dado anômalo é o decaimento excessivo do Higgs em dois fótons. Novamente, é necessário mais dados para se ter certeza que não se trata de uma flutuação estatística. Se confirmada, indicaria que outra partícula estaria sendo produzida junto com o Higgs. Essa nova partícula poderia muito bem ser um dos outros Higgs previsto pelas supersimetria. A existência da partícula supersimétrica associada ao tau, chama stau, poderia explicar o excesso no decaimento em dois fótons. 

Steven Weinberg afirmou que o pior pesadelo para a física de partículas seria se o LHC encontrasse apenas o Higgs do modelo padrão. Sabemos que o modelo padrão necessita ser estendido e sem dados experimentais não há como saber em que direção estende-lo. Vamos aguardar para saber se essas anomalias realmente existem. Com os dados acumulados até o final de 2012 será possível termos uma ideia mais clara do que está acontecendo.

Afinal, o que é o bóson de Higgs? E a partícula de Deus?

Após a sensacional descoberta do Higgs no CERN, é hora de se tentar compreender o que essa partícula representa e quais são as implicações de sua existência. Desde a mais remota antiguidade o homem vem se perguntando se a enorme diversidade encontrada na Natureza poderia ser reduzido a um conjunto de entidades fundamentais. Os gregos antigos, por exemplo, achavam que existiam quatro elementos fundamentais: a terra, o ar, o fogo e a água, e todo o resto seria composto por diferentes proporções desses  elementos. Hoje em dia sabemos que toda a matéria que conhecemos diretamente pode ser descrita por moléculas, e que as moléculas são sempre formadas por diferentes combinações de 94 tomos que existem na Natureza. Também sabemos que os átomos não são fundamentais, eles são formados por um núcleo atômico e elétrons. Além disso, os núcleos também não são fundamentais; eles são formados por prótons e nêutrons. Prótons e nêutrons, por sua vez, são formados por quarks. Os quarks e elétrons, até onde sabemos, não possuem estrutura interna e são considerados como elementares. Outras partículas, como os neutrinos, produzidos no Sol ou em reatores nucleares, ou os múons, produzidos pelos raios cósmicos que bombardeiam a Terra, também são partículas elementares. Essas partículas elementares, denominadas genericamente como léptons, formam a matéria conhecida. Elétrons, quarks, neutrinos e múons possuem um número quântico chamado spin cujo valor é 1/2 (em unidades da constante de Planck) e são chamadas de férmions.

Além dessas partículas elementares existem outras partículas que são responsáveis pelas forças de interação entre os férmions. A força eletromagnética que atua entre partículas que possuem carga elétrica, como a força de Coulomb entre os elétrons, é transmitida por uma partícula elementar chamada fóton. A força forte entre os quarks é transportada pelos glúons. Por outro lado, os neutrinos interagem apenas através da força fraca, transmitida pelas partículas W e Z. Essas partículas elementares que transmitem as forças fundamentais da Natureza possuem spin 1 (em unidades da constante de Planck) e são chamadas genericamente de bósons de calibre. Em geral, férmions são partículas com spin semi-inteiro, enquanto bósons são partículas com spin inteiro.

Para descrever como essas partículas interagem entre si e como formam prótons, nêutrons e outras partículas compostas, é necessário construir uma teoria que explique como os bósons que transmitem as forças fundamentais interagem entre si e também com os férmions que formam a matéria conhecida. Essa teoria é conhecida como o Modelo Padrão das Partículas Elementares  e foi construída à partir da década de 40 do século passado. Ela foi erigida em partes, primeiro explicando como a força eletromagnética atua, incluindo depois as forças fracas e fortes já na década de 70. Durante esse período, os diversos aceleradores de partículas que eram construídos foram essenciais para confirmar que o Modelo Padrão estava correto. As várias partículas previstas pelo Modelo Padrão, como o bóson Z e o bóson W, foram sendo gradativamente descobertas e apresentavam as propriedades previstas pelo Modelo Padrão, gerando vários prêmios Nobel à medida que as descobertas aconteciam. Faltava ser encontrada apenas uma partícula, o bóson de Higgs.

No Modelo Padrão assumimos que as partículas inicialmente não possuem massa. É claro que isso não corresponde a realidade já que os elétrons e quarks, por exemplo, possuem massa. Na década de 60 do século passado Peter Higgs e outro físicos encontraram uma maneira engenhosa de produzir massa assumindo a existência de uma nova partícula elementar, um bóson de spin zero, que passou a ser conhecido como o bóson de Higgs. Pelo fato de gerar massa para outras partículas o físico Leon Lederman chamou o bóson de Higgs de partícula de Deus num livro de divulgação científica. É claro que a comunidade científica não gostou dessa liberdade literária mas infelizmente o nome se popularizou.

Todas os resultados provindos dos aceleradores nas décadas seguinte eram consistentes com a existência do Higgs. Entretanto, a única maneira de provar sua existência é através da detecção direta de sua presença nos aceleradores. Como a massa do Higgs é muito alta isso requer que o acelerador produza colisões com energias também bastante altas. Foi precisamente isso o que aconteceu no LHC, o Grande Colisor de Hádrons, no CERN. Ele colide prótons com energia suficiente para gerar os bósons de Higgs. Foram necessários mais de 50 anos para que pudéssemos desenvolver a tecnologia necessária para construir o LHC e manipular a enorme quantidade de dados gerados em cada colisão, para finalmente descobrir se o bóson de Higgs, de fato, existe.

Agora é necessário descobrir se a partícula encontrada no CERN possui todas as propriedades previstas pelo Modelo Padrão. Acontece que já sabemos que o Modelo Padrão NÃO é a teoria final das partículas elementares. Os neutrinos do Modelo Padrão, por exemplo, não possuem massa, o que não está de acordo com os resultados experimentais que mostram que os neutrinos possuem massa. Como a massa do neutrino não pode ser gerada pelo Higgs é necessário estender o Modelo Padrão. Também sabemos que nem toda matéria existente no Universo pode ser descrita em termos dos férmions do Modelo Padrão. Existe uma grande quantidade de matéria escura no Universo detectada através de seus efeitos gravitacionais. Finalmente, a força gravitacional, uma das forças fundamentais da Natureza, não está incluída no Modelo Padrão. Tudo isso mostra que o Modelo Padrão não tem a palavra final sobre as partículas elementares e que é necessário ir adiante. O que esperamos é que o LHC produza bósons de Higgs suficientes para possamos estudar suas propriedades e verificar o quanto diferem das previsões do Modelo Padrão para então descobrir como o Modelo Padrão deve ser modificado. Uma ideia promissora é a supersimetria e extensões supersimétricas do modelo padrão tornaram-se bastante populares, Esse é o grande desafio agora.

Descoberta do Higgs?

O CERN anunciou que apresentará novos dados sobre o Higgs no seminário “Update on the search for the Higgs Boson”.  no dia 4 de julho. O seminário vai acontecer um pouco antes de uma das conferências mais importantes da área, o ICHEP, que será realizada em Melbourne, e onde o CMS e ATLAS irão apresentar os dados mais recentes sobre o Higgs. Em Dezembro de 2011 os dados acumulados pelos dois experimentos indicavam um excesso de eventos compatível com a existência de um Higgs de massa 125 GeV. A estatística combinada dos dois experimentos indica que a probabilidade de que esse excesso de eventos seja devido ao acaso é de uma parte em cem mil. Com o aumento da energia do acelerador e com muitos mais eventos colhidos nestes últimos meses a estatística deve melhorar muito e espera-se que seja anunciada a descoberta do Higgs nesse seminário. O seminário será transmitido as 9 hs em Genebra, 4 hs da manhã no Brasil e será transmitido ao vivo. Mais informações aqui.