terça-feira, 13 de dezembro de 2011

A Caçada do Bóson de Higgs: O que é e porque isso Importa?

A notícia científica de hoje foi sobre o bóson de Higgs. Pesquisadores do CERN conseguiram encontrar fortes evidências de sua existência na faixa entre 115  e 127 Gev, confirmando pesquisas anteriores. Quando eu comentava isso com meus colegas a pergunta que voltava era: "Legal, mas e....?"
Coincidentemente encontrei no site do Richard Dawkins Foundation um artigo sobre este assunto do Dr. Laurence Krauss, Professor fundador e Diretor do Projeto Origins da Universidade Estadual do Arizona. Está tão completo que eu simplesmente traduzi e reproduzo abaixo.
  
Foto: CERN
Prof. Lawrence M. Krauss
"Tem havido muitas notícias ultimamente sobre a possível descoberta no Large Hadron Collider do muito aguardado Boson de Higgs, mas, ao mesmo tempo, tem havido muita confusão sobre o que é, por que tivemos que trabalhar duro para encontrar-lo, e por que devemos nos importar. Aqui está o porquê.
Primeiro, a resposta curta:

Se o Higgs é descoberto, ele vai representar, talvez, um dos maiores triunfos do intelecto humano na memória recente, justificando os 50 anos de construção de um dos maiores edifícios teóricos em toda a ciência, e exigindo a construção da máquina mais complicada que já existiu. Essa é a boa notícia. Mas, se o Higgs é o que é encontrado no LHC, isso significa que outras questões fundamentais que precisam ser testadas e verdadeiramente entendidas sobre nossa existência  -  desde entender como as 4 forças da natureza são unificadas em uma teoria geral até determinar o que pode ter causado o Big Bang - ainda estarão pendentes. Responder a estas perguntas pode estar além das nossas capacidades técnicas e financeiras desta geração.

Agora a resposta longa:

Obter algo do nada é um dos grandes desenvolvimentos na física no século passado, da compreensão de como criar um universo do nada, para a nossa compreensão atual de como se pode conferir uma outra forma de nada - chamado de espaço vazio - com energia. Mas talvez não haja melhor exemplo relevante para a nossa experiência direta de como começar algo do nada do que o fenômeno chamado de "quebra espontânea de simetria", que o bóson de Higgs representa.

Se as nossas ideias sobre o Higgs vir a ser verdade, então tudo o que vemos é uma espécie de vitrine com base em um tecido subjacente da realidade na qual nós não deveríamos existir. As partículas que nos formam possuem massa e se unem para formar prótons, nêutrons, os núcleos e, finalmente, os átomos. Mas sem o Higgs, essas partículas não possuiriam massa, como os fótons, que deveriam se mover indefinidamente à velocidade da luz e não poderiam ser confinadas, exceto talvez em um buraco negro.

Todos nós já experimentamos a sensação do quanto algo é pesado  dependendo de onde ele está localizado. Em água, por exemplo, com as forças de empuxo presentes, objetos que são pesados ​​na terra parecem mais leves. Da mesma forma, se você tentar empurrar algo através de um fluido muito grosso, pode parecer mais pesado (dando resistência à sua força empurrando) do que ele iria aparecer se fosse empurrá-lo através do ar.

O Modelo Padrão da física de partículas implica que há um "Campo de Higgs" de fundo, invisível, que permeia todo o espaço. Este campo interage com outras partículas com diferentes graus de força. Como partículas se movem através do espaço, elas interagem com o campo de Higgs, e aquelas que interagem mais fortemente irão experimentar mais resistência ao seu movimento, e vão "estar" mais pesadas. Algumas partículas, como o fóton, não interagem com o campo, e permanecem sem massa. Desta forma, a massa de tudo o que vemos é determinada pela existência deste campo, e se ele não existisse, essencialmente, todas as partículas não possuiriam massa. Neste caso, a massa é um "acidente" de nossas circunstâncias, porque nós existimos em um universo no qual este campo de fundo aconteceu de ter surgido.

Mas por que uma "partícula" de Higgs? Bem, acontece que a relatividade nos diz que nenhum sinal pode viajar mais rápido que a luz. Incorporando isso em mecânica quântica nos diz que as forças que nós entendemos como sendo devido a campos, como o campo elétrico, são realmente transmitidos entre objetos pela troca de partículas, e que essas partículas viajam, em média, a velocidade da luz ou mais lento. Porque as partículas transmitem as forças é como o pensar em jogo de queimada. Se eu jogar uma bola para você e você pegá-la, então você será empurrado para trás pela força da minha bola, e eu irei para trás empurrado pelo ato de jogar a bola. Assim, neste caso agiríamos como se estivéssemos nos repelindo.

Então, se há um campo de Higgs, verifica-se que tem que haver uma nova partícula associada a este campo, e esta é a partícula Higgs.

Esta parece ser um quadro notável e fantasioso, um pouco como inventar anjos na cabeça de um alfinete. O que levaria cientistas a imaginar um cenário como esse? Um dos maiores sucessos teóricos da última metade do século 20 foi a unificação de duas das forças conhecidas na natureza: o eletromagnetismo e a interação fraca (responsável pelas reações que ocorrem no Sol). Nesta teoria forças eletromagnéticas surgem pela troca de fótons sem massa, e é de longo alcance, e a força fraca de curto alcance surge devido à troca de partículas massivas, chamadas partículas W e Z, descobertas experimentalmente em 1980, depois que terem sido previstas em 1960.

Para que esta unificação teórica tenha sentido matemático, todos os três diferentes tipos de partículas teriam que ser sem massa na teoria subjacente, e portanto, as forças que elas mediariam seriam quase idênticas. No entanto, somente se as partículas W e Z obtêm massa interagindo com o campo de fundo - o campo de Higgs - a teoria subjacente unificada será matematicamente consistente e, ao mesmo tempo implica que as duas forças aparecerão de formas diferentes nas escalas que as medimos hoje.

Como eu descrevi a Mecânica Quântica e a Relatividade nos diz que a todos os campos na natureza podemos associar uma partícula elementar. Se o campo de Higgs existe, deve haver uma nova "partícula de Higgs", que confirma a sua existência. Uma vez que as massas de partículas W e Z são quase 100 vezes a massa do próton a teoria sugere que a massa de uma partícula de Higgs também deve estar perto deste valor. No entanto, a massa exata não foi previsto, embora a massa de partículas W e Z foram previstas com antecedência e com alta precisão. Isto é porque as suas massas acabam por ser os produtos de duas incógnitas multiplicados juntos - a desconhecida massa da partícula de Higgs e a força desconhecida do acoplamento entre essas partículas e o campo de Higgs.

Por mais de 25 anos após a descoberta do W e Z, os físicos experimentais têm tentado conseguir a energia e a intensidade de feixe necessárias para produzir uma partícula real de Higgs com massa, se ele existir. O Tevatron do Fermilab foi capaz de atingir até cerca de 120 vezes a massa do próton (cerca de 1 Giga electron-Volt ou GeV) em sua busca.

O Large Hadron Collider foi projetado para investigar massas de Higgs que são mais pesados ​​do que isso, embora verifica-se que a exploração de partículas menores são mais difíceis, devido à produção de várias outras partículas nas colisões que fazem a interpretação dos resultados mais difíceis. Assim, em suas primeiras corridas, o LHC foi capaz de reduzir a massa do Modelo Padrão de Higgs para cerca de 135 GeV ou menos. As coisas estavam começando ficar sombrias para o Higgs, e muitos teóricos estavam correndo em suas mesas para descobrir como modificar o modelo padrão se nenhum Higgs for descoberto.

Se a partícula Higgs for anunciada no CERN com uma massa de 125 GeV, como sugerem rumores, será a jóia culminante da nossa compreensão teórica, não apenas da teoria eletro-fraca unificada, mas da compreensão de nossas próprias origens , e a origem de quase toda massa que medimos no Universo.

No entanto, nem tudo é rosa. O Modelo Padrão não dá nenhuma explicação de por que as massas de Higgs, a W e a Z têm essas escalas. De fato, outros argumentos sugerem que é preciso uma nova física para assegurar que a escala de massas não é criada por energias muito mais elevadas devido a efeitos da mecânica quântica que podem ser calculados. Uma das maneiras mais excitantes em que este comportamento pode ser mantido sob controle envolve uma nova simetria possível na natureza, chamado supersimetria. Se a supersimetria é manifestada no mundo real, o número de partículas elementares dobraria, e por causa disso não seria preciso uma partícula de Higgs, mas duas partículas para fazer o trabalho de conferir massas para as outras partículas na natureza. Assim, muitos físicos de partículas elementares esperam não encontrar uma partícula de Higgs no CERN, mas duas.

Uma vez que a supersimetria é um ingrediente essencial que é construída nos modelos mais especulativos da teoria das cordas que tenta unificar a gravidade e a mecânica quântica, havia ainda mais motivos para alguns teóricos esperar que duas partículas de Higgs, ou novas partículas, os super parceiros das partículas que compõem a matéria comum, poderiam ser descobertos no LHC.

Se um único Higgs e nada mais é descoberto no LHC será uma benção mista, talvez a pior possibilidade empírica que os teóricos podem imaginar. Vamos ter descoberto a origem da massa, como anunciado, mas não haverá nenhuma nova orientação experimental sobre como dar o próximo passo, ou onde procurar respostas para os enigmas empíricos em destaque na física de partículas, desde a origem da escala eletrofraca , ou em última análise, a uma eventual unificação de todas as quatro forças conhecidas no cosmos."