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...

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.

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.

Brasil no LHC

Mais uma reportagem sobre os brasileiros no LHC publicado pela Folha e na capa do Ciência Hoje. Enquanto isso, no LHC começam os testes com os magnetos que deram problemas.

O Brasil no CERN

O CERN, sede do Large Hadron Collider (o grande colisor de hádrons), abriu suas portas ao público neste fim de semana. Reportagens do Estadão e da Folha contam a história dos brasileiros envolvidos no LHC.

Update: Uma entrevista com Peter Higgs, 79 anos, (proponente do bóson de Higgs, uma das partículas que poderão ser produzidas pelo LHC) que apareceu em vários jornais do mundo.

Um juiz pode salvar a Terra dos buracos negros?

O LHC (Large Hadron Collider) é o acelerador de partículas mais potente já construído e deverá entrar em funcionamento em julho deste ano (mais detalhes aqui). Enquanto, isso, no Havai, duas pessoas entraram com uma ação na justiça pedindo o embargo do início das atividades do LHC. Eles acreditam que o LHC pode criar mini-buracos negros que destruiriam a Terra, segundo o The New York Times. É pouco provável que isso tenha qualquer conseqüência jurídica já que o LHC foi construído parte na Suiça e parte na França e está fora da jurisdição americana. Mas não impede que eco-fanáticos europeus dêem início a uma ação semelhante por lá.

Update: versão da Folha

Cordas e LHC na Folha

Ontem foi publicado um artigo sobre cordas no Caderno Mais da Folha: No Fim do Tunel (é necessário ser assinante). Este é o artigo sério sobre cordas que havia mencionado anteriormente. Nele, o autor, Rafael Garcia, comenta um artigo de Jacques Distler que pretende testar a teoria de cordas no LHC.

O trabalho de Distler consiste em estudar o efeito da adição de operadores de dimensão mais alta na teoria eletrofraca junto com a condição de que propriedades essenciais como invariância de Lorentz, analiticidade, unitariedade e simetria de cruzamento (crossing) sejam mantidas em distâncias muito pequenas. Em outras palavras, ele estuda extensões da teoria eletrofraca que mantém propriedades fundamentais de qualquer teoria quântica de campos. Essa é uma idéia antiga e bastante utilizada para analisar extensões de qualquer modelo. A novidade de Distler e colaboradores é que eles aplicam essa maquinaria para estudar a produção dos bósons W que serão eventualmente produzidos no LHC. As propriedades mencionadas acima impõem limites sobre determinados parâmetros que caracterizam a produção dos W' s e violações desses limites indicariam que tais propriedades não estariam presentes na teoria. Portanto, o que está sendo testadado, são propriedades da teoria quântica de campos e não da teoria de cordas. Por outro lado, como a teoria de cordas também assume simetria de Lorentz, analiticidade, unitariedade e crossing, a violação de qualquer uma delas seria um problema muito sério para as cordas. Entretanto, ninguém espera que essas propriedades sejam violadas.

O título da primeira versão do trabalho de Distler foi modificado. Ele fazia menção à teoria de cordas. O árbitro do trabalho deve ter notado que o que está se testanto diretamente é a teoria quântica de campos e não a teoria de cordas. A versão publicada no Physical Review Letters
menciona modelos de física nova e não mais a teoria de cordas. Corretíssimo!