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.

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.