Curiosidades

O que é o bóson de Higgs? Por que é chamado de “partícula de Deus”?

Em julho de 2012, o mundo foi agitado com o caos absoluto – um caos de triunfo e exaltação. Os físicos finalmente resolveram um mistério que os incomodou por mais de 40 anos. Enquanto todos apertavam as mãos um do outro fervorosamente, um homem velho começou a chorar. Esse homem era Peter Higgs. Sua predição de uma nova partícula fundamental, um acréscimo necessário à família de partículas fundamentais no Modelo Padrão da física, foi finalmente encontrada como verdadeira.

Jornal de partículas de Deus

A descoberta do bóson de Higgs foi particularmente aguardada porque foi anunciada como sendo a partícula de Deus. Mas por que tem um apelido tão sensacional?

As forças da natureza

Se a mídia social nos ensinou alguma coisa, é que as ideias em uma cultura se disseminam a uma taxa exponencial, mas também as interpretações errôneas. Sem contexto, até mesmo a comédia parece ser uma tragédia. Será que a descoberta do deus Partícula finalmente provou que Ele, de fato, existe?

Se você pronunciar as palavras “Partícula Divina” enquanto estiver conversando com um físico, não se surpreenda se ele responder com uma careta. Para o desgosto de um físico, o termo está agora inextricavelmente entrelaçado com a partícula. Para os físicos, é um exagero desnecessário. Peter Higgs referiu-se a ele como a partícula mais desejada da física. Mas por que estávamos tão desesperados para encontrá-lo?

As partículas fundamentais no Modelo Padrão podem ser divididas em férmions e bósons. Os férmions são partículas que compõem a matéria, enquanto os bósons são as partículas que comunicam as forças entre a matéria. No final dos anos 50, foi confirmado que a matéria e a radiação podem exibir tanto o comportamento de partículas quanto de ondas. Isso agora é chamado de dualidade onda-partícula . Consequentemente, cada partícula está associada a um campo ou distúrbio correspondente que a partícula “carrega”.

O modelo padrão

Por exemplo, sabemos que as forças repulsivas e atraentes entre dois ímãs são eletromagnéticas, mas o que você talvez não saiba é que esse campo é carregado por fótons, seu análogo de partículas. Embora possamos detectar o campo a partir do movimento dos ímãs, o mesmo não pode ser dito sobre as partículas que o transportam. Isso ocorre porque as partículas de força ou os bósons são invisíveis ou “virtuais”.

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O modelo padrão descreve três das quatro forças fundamentais da natureza. Em ordem de suas forças, eles podem ser listados como – o campo forte que liga o núcleo atômico e é transportado pelos glúons, o campo eletromagnético, que é o mais comumente encontrado e é carregado pelos elétrons, e o campo fraco, que dita o beta. decaimentos e reações de fusão nuclear e é transportado pelas partículas W e Z.

Acredita-se que uma partícula hipotética chamada gravitona carregue a gravidade, a quarta força fundamental, mas todas as tentativas de incorporá-la ao modelo e completar o quebra-cabeça não tiveram sucesso. Para os físicos, a incapacidade de incluir todos em uma única fotografia tem sido uma fonte perene de frustração.

LIGO da NSF detectou ondas gravitacionais

O graviton poderia ser o bóson que leva ondas gravitacionais? (Crédito da foto: Charly W. Karl / Flickr)

A busca pela simetria

Os físicos desejam certeza, eles desejam a capacidade de prever isso e aquilo e testemunham isso e aquilo. O modelo padrão nos permite descrever o comportamento de partículas de um milésimo do tamanho de um núcleo atômico, mas ainda não estamos satisfeitos.

Prevalece uma assimetria óbvia entre as forças. A faixa de eletromagnetismo é infinita, mas a faixa de força fraca não é. Os físicos acreditam que existe uma simetria, uma força que é ainda mais fundamental do que todas as quatro forças fundamentais. Eles acreditam que as quatro forças são fluxos de um delta que partiu de um único rio. Todas as forças díspares são, portanto, manifestações de uma única força, a primeira força a surgir depois do Big Bang .

Embora a gravidade esteja atualmente fora de questão, esperamos alcançar a simetria ou fundir as três forças remanescentes em uma única força que chamamos de Grande Força Unificada (GUF – Grand Unified Force). Tal simetria, no entanto, só pode ser testemunhada em enormes energias ou na Grande Energia Unificada – uma energia que prevaleceu momentos após o Big Bang. Por exemplo, para detectar o GUF, precisaríamos de um acelerador de partículas do tamanho do Sistema Solar! Assim, os físicos pensaram que o mínimo que podiam fazer era tentar unificar o eletromagnetismo e a força fraca na força “eletrofraca”. Eles esperavam que talvez os aceleradores de partículas desenvolvidos nos anos subsequentes fossem poderosos o suficiente para detectá-lo.

Fluxo de água de árvore delta do rio

As forças da natureza. (Crédito da foto: Pixabay)

A razão pela qual a força fraca não é preenchida com tanto desejo de viajar quanto o eletromagnetismo é que, ao contrário dos fótons, as partículas de força fraca são massivas; eles se cansam enquanto sua massa os abala. No final dos anos 60, Steven Weinberg combinou com sucesso as duas teorias e desenvolveu a teoria eletrofraca. Ele previu o W, e pela primeira vez, partículas Z, e calculou suas massas. 16 anos depois, o CERN os detectou com sucesso e descobriu que suas massas eram cerca de 100 vezes maiores que as de um próton, o que não era muito longe do que Weinberg originalmente previra.

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A descoberta das partículas da força fraca foi histórica, mas o nosso trabalho ainda não estava terminado. Um arcabouço completo da teoria eletrofraca só poderia ser desenvolvido se fosse possível explicar o que causou a assimetria, o que causou as massas das partículas de força.

A maldita partícula

Peter Higgs sugeriu a existência de um novo campo de força fundamental, uma interação que imbuiria a massa nas partículas do campo fraco. O campo de força onipresente acabou sendo conhecido como o campo de Higgs e a partícula associada a ele como o bóson de Higgs. Higgs sugeriu que as partículas W e Z perturbariam esse campo e gerariam suas massas, enquanto os fótons passariam de maneira indiferente, não acumulando nenhuma massa.

Velocidade da luz

A luz é a coisa mais rápida no Universo porque é sem massa. (Crédito da foto: Pexels)

Para surpresa de todos, o campo de Higgs foi realizado não apenas como responsável pela massa de partículas de força, mas também por partículas de matéria. Embora os mecanismos pelos quais a matéria perturbaria o campo de Higgs fossem diferentes, a implicação seria que, sem o campo de Higgs, não haveria massa e, sem massa, os prótons não teriam resistido ao movimento, parado, congregado e formando matéria. mas, em vez disso, passou zunindo pelo espaço à velocidade da luz. Sem isso, não teríamos existido. Então, sim, sua descoberta foi muito importante.

No entanto, sem evidências, uma teoria nada mais é que especulação. O bóson de Higgs era notoriamente elusivo; detectar o campo de Higgs requeria energias muito maiores do que os aceleradores predominantes poderiam oferecer. Além disso, energias maiores têm maiores riscos e custos. Não havia garantia de que um acelerador maior pudesse detectá-lo. E se toda a diligência, as despesas exorbitantes e o tempo irremediável acabassem sendo inúteis?

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Vinte longos anos se passaram e os físicos ainda estavam no escuro. Em 1993, o físico americano Leon Lederman e Dick Teresi escreveram The God Particle: Se o universo é a resposta, qual é a pergunta? Curiosamente, o título original deveria ser The Goddman Particle, refletindo a frustração arrogante dos físicos incapazes de encontrá-lo por quase duas décadas. No entanto, a editora discordou, e os escritores preferiram “Deus”. O resultado? O nome ficou preso! Ele ficou preso como um parasita e, como um parasita consciencioso, parece que não vai sair tão cedo.

A circunferência do LHC é um mamute de 16,6 km, tornando-o o acelerador de partículas mais energético a ser construído. (Crédito da foto: apod.nasa.gov)

Interpretações erradas foram mal interpretadas e conspirações se seguiram. Quando o desenvolvimento do Grande Colisor de Hádrons (LHC) começou em 2005, conspirações desconcertantes estavam circulando. Algumas pessoas acreditavam que os físicos estavam abrindo um portal para o inferno!

Os físicos descobrem novas partículas fundamentais menores examinando os detritos dispersos em uma colisão de partículas de alta velocidade. Isso é análogo ao estudo das entranhas de uma televisão examinando os escombros no chão depois de serem lançados do topo de um prédio. Em 2012, o LHC – o mais poderoso acelerador de partículas já construído pelos humanos – colidiu prótons a quase a velocidade da luz e finalmente descobriu o bóson de Higgs escondido há muito tempo em suas vísceras.

Simulação computacional dos detritos de onde foi descoberto o bóson de Higgs.

A descoberta do campo de Higgs é apenas o começo. Nós especulamos que muitas “versões” do campo acabarão por estabelecer não apenas simetria, mas o que é chamado de supersimetria – um modelo padrão estendido que, esperamos, preencherá as lacunas que restam. Isso também incluiria o que quer que seja que constitua matéria escura, um campo que atualmente parece ser ainda mais evasivo que o campo de Higgs.

Partícula de Deus ou não, a descoberta é pioneira, talvez uma das mais da nossa curta história. Nossos ancestrais partiram com paus, mas o mais importante, a curiosidade, seguindo o cascalho molhado, traçando as manchas até os riachos, subindo o precipício depois do precipício e traçando os riachos até os lagos, que agora arduamente traçamos até os Quatro Riachos. Neste tempo, criamos ferramentas que, como Arthur Clarke observou, são “indistinguíveis da magia”. Em breve, rastrearemos os riachos até o rio, fixaremos nossos galhos no chão ao lado e refletiremos sobre nossa épica peregrinação. Então, podemos deixar de nos perguntar como e começar a refletir sobre o porquê.

Referências:

  1. Universidade do Tennessee, Knoxville
  2. Nature.com
  3. Physics.org
  4. Scitation.org

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