A famosa partícula pode apontar para rachaduras no modelo padrão e nova física além.
Javier Duarte iniciou sua carreira científica ao testemunhar o maior evento de física de partículas em décadas. Em 4 de julho de 2012, cientistas do laboratório CERN perto de Genebra anunciaram a descoberta do bóson de Higgs, a partícula subatômica há muito procurada que revelaria a origem da massa das partículas. Duarte era um estudante de pós-graduação ansioso que acabara de chegar ao CERN.
“Eu estava fisicamente lá talvez uma semana antes do anúncio”, diz Duarte. Enquanto a multidão de físicos se aglomerava para assistir ao anúncio no CERN, Duarte não conseguiu chegar ao auditório principal. Esse espaço era para VIPs – e aqueles determinados o suficiente para esperar na fila a noite toda para conseguir um lugar. Em vez disso, diz ele, ele se viu no chão, em uma sala de espera de uma sala de espera.
Mas o entusiasmo ainda era palpável. “Foi um momento muito emocionante para estar imerso nesse mundo”, diz ele. Desde então, ele e milhares de outros físicos de todo o mundo que trabalham nos experimentos do CERN se esforçaram para explorar as propriedades da partícula.
Os cientistas previram a existência do bóson de Higgs em 1964, como uma marca registrada do processo que dá massa às partículas elementares. Mas encontrar a partícula teve que esperar pelo Grande Colisor de Hádrons do CERN, ou LHC. Em 2010, o LHC começou a colidir prótons em energias extremamente altas, enquanto dois grandes experimentos, ATLAS e CMS, usaram detectores maciços para examinar os detritos.
A descoberta da partícula preencheu a pedra angular que faltava no modelo padrão da física de partículas. Essa teoria explica as partículas elementares conhecidas e suas interações. Essas partículas e interações estão por trás de quase tudo o que sabemos. As partículas servem como blocos de construção dos átomos e transmitem forças cruciais da natureza, como o eletromagnetismo. E a massa dessas partículas é a chave para seu comportamento. Se os elétrons não tivessem massa, por exemplo, os átomos não se formariam. Sem o bóson de Higgs, então, uma das teorias mais bem-sucedidas dos cientistas entraria em colapso.
A descoberta do bóson de Higgs dominou as manchetes em todo o mundo. Cerca de meio milhão de pessoas sintonizaram para assistir ao anúncio transmitido ao vivo, e imagens do evento apareceram em mais de 5.000 programas de notícias. Até mesmo minúcias excêntricas chegaram à imprensa, com alguns artigos analisando o uso dos físicos da fonte frequentemente desprezada Comic Sans em sua apresentação. Pouco mais de um ano depois, a descoberta rendeu um Prêmio Nobel para dois dos cientistas que desenvolveram a teoria por trás do bóson de Higgs, François Englert e Peter Higgs – que dão nome à partícula.
Agora, quando a descoberta completa 10 anos, essa empolgação inicial persiste para Duarte e muitos outros físicos de partículas. Como professor da Universidade da Califórnia em San Diego e membro do experimento CMS, a pesquisa de Duarte ainda gira em torno da importantíssima partícula. O progresso na compreensão do Higgs tem sido “impressionante”, diz ele. “Chegamos muito mais longe do que esperávamos.”
Os físicos estão trabalhando em uma lista de coisas que eles querem saber sobre o bóson de Higgs. Eles passaram a última década catalogando suas propriedades, incluindo como ela interage com várias outras partículas. Embora as medições até agora estejam alinhadas com as previsões feitas pelo modelo padrão, se uma discrepância aparecer no futuro, isso pode significar que existem partículas desconhecidas ainda a serem descobertas.
E ainda há mais na agenda. Um item especialmente importante é a interação do bóson de Higgs consigo mesmo. Para ajudar a identificar esta e outras propriedades do Higgs, os cientistas estão ansiosos para coletar mais dados. Os cientistas ligaram um LHC atualizado para uma nova rodada de trabalho em abril. Na época da descoberta do Higgs, as colisões no LHC atingiram uma energia de 8 trilhões de elétron-volts. Espera-se que as colisões cheguem a um recorde de 13,6 trilhões de elétrons-volts a partir de 5 de julho, e a coleta de dados continuará até 2026. Essas energias mais altas oferecem oportunidades para detectar partículas mais pesadas. E o High-Luminosity LHC, uma iteração mais poderosa do LHC, deve começar em 2029.
“Encontrar uma partícula parece o fim de algo, mas na verdade é apenas o começo”, diz a física de partículas experimental María Cepeda, do CIEMAT em Madri, membro da colaboração CMS.
Acoplamento.
Estudar o bóson de Higgs é como geocaching - o Geocaching é uma atividade ao ar livre que funciona como uma espécie de “caça ao tesouro” no mundo real através de coordenadas GPS, diz o físico teórico de partículas Gudrun Heinrich, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha.
Assim como os geocaches usam um dispositivo GPS para descobrir um estoque escondido de bugigangas divertidas, os físicos estão usando sua inteligência para descobrir o tesouro do bóson de Higgs. Em 2012, os cientistas apenas localizaram o esconderijo; os próximos 10 anos foram dedicados a revelar seu conteúdo. E essa investigação continua. “A esperança é que o conteúdo contenha algo como um mapa que nos guie em direção a um tesouro ainda maior”, diz Heinrich.
O estudo detalhado do bóson de Higgs pode ajudar os cientistas a resolver mistérios que o modelo padrão não consegue explicar. “Sabemos que a teoria tem limitações”, diz a física teórica de partículas Laura Reina, da Florida State University em Tallahassee.
Por exemplo, o modelo padrão não tem explicação para a matéria escura, uma substância sombria que joga seu peso ao redor do cosmos, exercendo uma atração gravitacional necessária para explicar uma variedade de observações astronômicas. E a teoria não pode explicar outros dilemas, como por que o universo é composto principalmente de matéria em vez de seu alter ego, antimatéria. Muitas soluções propostas para as deficiências do modelo padrão exigem novas partículas que alterariam a forma como o Higgs interage com partículas conhecidas.
O bóson de Higgs em si não é responsável pela massa. Em vez disso, esse é o trabalho do campo de Higgs. De acordo com a física quântica, todas as partículas são na verdade blips em campos invisíveis, como ondulações no topo de uma lagoa. Os bósons de Higgs são ondulações no campo de Higgs, que permeia todo o cosmos. Quando partículas elementares interagem com o campo de Higgs, elas ganham massa. Quanto mais massiva a partícula, mais fortemente ela interage com o campo de Higgs e com o bóson de Higgs. Partículas sem massa, como fótons, não interagem diretamente com o campo de Higgs.
Uma das melhores maneiras de caçar tesouros relacionados ao Higgs é medir essas interações, conhecidas como “acoplamentos”. Os acoplamentos de Higgs descrevem em quais partículas o bóson de Higgs decai, quais partículas podem se fundir para produzir bósons de Higgs e com que frequência esses processos ocorrem. Os cientistas avaliam esses acoplamentos vasculhando e analisando as chuvas de partículas produzidas quando os bósons de Higgs aparecem nos detritos dos choques de prótons.
Mesmo que partículas desconhecidas sejam muito pesadas para aparecer no LHC, os acoplamentos de Higgs podem revelar sua existência. “Qualquer um desses acoplamentos não sendo o que você espera que sejam é um sinal muito claro de uma nova física incrivelmente interessante por trás disso”, diz o físico de partículas Marumi Kado, da Universidade Sapienza de Roma e do CERN, que é o porta-voz adjunto da colaboração ATLAS.
Os físicos já verificaram os acoplamentos a várias partículas elementares. Estes incluem as duas principais classes de partículas na física: bósons (partículas que carregam forças) e férmions (partículas que compõem a matéria, como os elétrons). Os cientistas mediram as interações do Higgs com um parente pesado do elétron chamado tau (um férmion) e com os bósons W e Z, partículas que transmitem a força fraca, que é responsável por alguns tipos de decaimento radioativo. Os pesquisadores também atrelaram os acoplamentos dos Higgs ao quark top e quark bottom. Esses são dois dos seis tipos de quarks, que se aglomeram em partículas maiores, como prótons e nêutrons. (O Higgs é responsável pela massa das partículas elementares, mas a massa das partículas compostas, incluindo prótons e nêutrons, em vez disso, vem principalmente da energia das partículas que vibram em seu interior.)
Os acoplamentos medidos até agora envolvem as partículas elementares mais pesadas do modelo padrão. O quark top, por exemplo, é tão pesado quanto um átomo de ouro inteiro. Como o Higgs se acopla mais fortemente a partículas pesadas, essas interações tendem a ser mais fáceis de medir. Em seguida, os cientistas querem observar os acoplamentos das partículas mais leves. ATLAS e CMS usaram seus detectores gigantes para ver indícios do decaimento do Higgs em múons, o irmão de peso médio na família do elétron, mais leve que o tau, mas mais pesado que o elétron. As equipes também começaram a verificar o acoplamento dos quarks charm, que são menos massivos que os quarks top e bottom.
Até agora, o Higgs está em conformidade com o modelo padrão. “A grande coisa que descobrimos é que se parece muito com o que esperávamos. Não houve grandes surpresas”, diz a física teórica de partículas Sally Dawson, do Brookhaven National Laboratory em Upton, NY.
Mas pode haver discrepâncias que ainda não foram detectadas. As previsões do modelo padrão concordam com acoplamentos medidos dentro da margem de erro de cerca de 10% ou mais. Mas ninguém sabe se eles concordam com 5% ou 1%. Quanto mais precisamente os cientistas puderem medir esses acoplamentos, melhor eles poderão testar para qualquer negócio engraçado.
Um de cada tipo.
Antes de o LHC ser ligado, os cientistas tinham uma clara favorita para uma teoria física que poderia resolver alguns dos problemas do modelo padrão: supersimetria, uma classe de teorias em que cada partícula conhecida tem uma partícula parceira não descoberta. Os físicos esperavam que essas partículas aparecessem no LHC. Mas nenhuma foi encontrada ainda. Embora a supersimetria não seja totalmente descartada, as possibilidades para a teoria são muito mais limitadas.
Sem candidato de consenso entre muitas outras teorias para o que poderia estar além do modelo padrão, muito do foco está no Higgs. Os físicos esperam que os estudos do Higgs revelem algo que possa apontar na direção certa para desvendar alguns dos emaranhados do modelo padrão. “Medir as propriedades [do bóson de Higgs] vai nos dizer muito mais sobre o que está além do modelo padrão… do que qualquer coisa antes”, diz Reina.
Uma questão que os cientistas estão investigando nos choques do LHC é se o Higgs é realmente único. Todas as outras partículas elementares conhecidas têm uma forma quântica de momento angular, conhecida como spin. Mas o Higgs tem spin de zero, o que é conhecido como “escalar”. Outros tipos de partículas tendem a vir em famílias, então não é estranho imaginar que o bóson de Higgs possa ter parentes escalares. “Pode haver um enorme setor escalar escondido em algum lugar e acabamos de ver a primeira partícula dele”, diz Heinrich. A supersimetria prevê vários bósons de Higgs, mas há muitas outras ideias que prevêem cúmplices de Higgs.
Também é possível que o Higgs não seja realmente elementar. Combinações de partículas, como quarks, são conhecidos por formar partículas maiores com spins de zero. Talvez o Higgs, como esses outros escalares, seja composto de coisas menores ainda desconhecidas.
Enquanto procuram essas respostas, os físicos estarão observando atentamente qualquer conexão entre o comportamento dos Higgs e outros resultados intrigantes recentes. Em 2021, o experimento Muon g−2 no Fermilab em Batavia, Illinois, relatou dicas de que os múons têm propriedades magnéticas que não concordam com as previsões do modelo padrão. E em abril, cientistas do experimento CDF – que estudou colisões de partículas no Fermilab até 2011 – descobriram que a massa do bóson W é mais pesada do que o modelo padrão prevê.
A relativa novidade do bóson de Higgs o torna maduro para descobertas que podem ajudar a resolver esses dilemas. “O bóson de Higgs é a partícula elementar menos explorada e pode ser uma porta para outros mistérios que ainda temos que descobrir ou esclarecer”, diz Heinrich.
Falando sozinho.
Para resolver quebra-cabeças espinhosos, os físicos às vezes falam sozinhos. Apropriadamente, outro quebra-cabeça no topo da lista de tarefas de Higgs dos cientistas é se a partícula, da mesma forma, fala consigo mesma.
Este “auto-acoplamento”, como os bósons de Higgs interagem uns com os outros, nunca foi medido antes. Mas “acaba sendo apenas um barômetro incrível da nova física”, diz o físico teórico de partículas Nathaniel Craig, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara. Por exemplo, medir o auto-acoplamento do Higgs poderia descobrir partículas ocultas que interagem apenas com o Higgs, ignorando qualquer uma das outras partículas do modelo padrão.
O auto-acoplamento de Higgs está intimamente relacionado ao potencial de Higgs, uma superfície ondulada em forma de sombrero que descreve a energia do campo de Higgs que permeia o universo. No início do universo, esse potencial determinou como as partículas fundamentais ganharam massa, quando o campo de Higgs foi ativado pela primeira vez.
Como, exatamente, essa transição de sem massa para massivo aconteceu tem algumas grandes implicações para o cosmos. Isso poderia ajudar a explicar como a matéria ganhou vantagem sobre a antimatéria no início do universo. Se o campo de Higgs desempenhou esse papel nos primórdios do universo, diz Craig, “vai deixar algumas impressões digitais no potencial de Higgs que medimos hoje”.
Dependendo da forma completa do sombrero do potencial de Higgs, em algum ponto no futuro extremamente distante, o campo de Higgs pode mudar novamente, como aconteceu no início do universo. Tal salto mudaria as massas de partículas fundamentais, criando um universo no qual características familiares, incluindo a vida, provavelmente são obliteradas.
Para entender melhor o potencial de Higgs, os cientistas tentarão medir o auto acoplamento. Eles farão isso procurando por bósons de Higgs produzidos em pares, um sinal do Higgs interagindo consigo mesmo. Acredita-se que isso aconteça a menos de um milésimo da taxa em que os bósons de Higgs individuais são produzidos no LHC, tornando extremamente difícil de medir.
Mesmo com o planejado High-Luminosity LHC, que eventualmente coletará cerca de 10 vezes mais dados do que o LHC, os cientistas preveem que o auto acoplamento será medido com grande margem de erro de cerca de 50%, supondo que o modelo padrão esteja correto. Isso não é suficiente para resolver essa questão.
Se os cientistas apenas fizerem o que estão no caminho certo, “vamos ficar aquém”, diz Duarte. Mas novas técnicas podem permitir que os físicos identifiquem melhor os double-Higgs events. Duarte está estudando colisões nas quais dois bósons de Higgs particularmente de alta energia decaem cada um em um quark bottom e um antiquark bottom. Usando uma técnica especializada de machine learning, Duarte e colegas montaram uma das análises mais sensíveis até agora desse tipo de decaimento.
Ao aprimorar essa técnica e combinar os resultados com os de outros pesquisadores que analisam diferentes tipos de decaimentos, “temos uma boa esperança de poder observar [o auto acoplamento] definitivamente”, diz Duarte.
Jogo de espera.
Apesar de toda a paixão pelo Higgs, Duarte observa que houve decepções. Após a primeira rodada do anúncio do Higgs, “eu esperava uma descoberta no nível do Higgs todos os anos”. Isso não aconteceu. Mas ele não perdeu o otimismo. “Esperamos que haja outra reviravolta chegando”, diz ele. “Ainda esperamos que esteja ao virar da esquina.”
A espera por uma nova física não é um choque para os veteranos de caças de partículas anteriores. Meenakshi Narain, físico de partículas da Brown University em Providence, RI, e membro do experimento CMS, era um estudante de graduação na época em que o quark bottom foi descoberto na década de 1970. Após essa descoberta, Narain juntou-se à busca pelo quark top. Embora os físicos estivessem convencidos da existência da partícula, essa caçada ainda levou quase 20 anos, diz ela. E levou quase 50 anos para descobrir o bóson de Higgs depois que foi postulado.
As falhas do modelo padrão deixam os físicos confiantes de que deve haver mais tesouros para desenterrar. Por causa de suas experiências passadas com o longo processo de descoberta, Narain diz: “Tenho muita fé”.
Fonte: https://bit.ly/3yI5WFi
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