O que é bóson? E quem é Higgs?

Com informações da BBC - 05/07/2012

Peter Higgs, que espera ansiosamente ganhar o Prêmio Nobel de Física. Ou seria mais justo dar a premiação ao LHC, que é um esforço conjunto?[Imagem: BBC]

Disputa

O bóson de Higgs, que os cientistas do LHC parecem ter encontrado depois de 45 anos de buscas, recebeu seu nome em homenagem ao físico britânico Peter Higgs.

Há uma briga apaixonada quanto a esse nome, uma vez que Higgs foi um dos primeiros a propor a existência da partícula, mas não foi sequer o primeiro - pelo menos dois outros grupos merecem o crédito, segundo um consenso entre os físicos.

A disputa é tamanha que a outra parte do nome - bóson - parece até ser coisa simples.

Batizando partículas

Bóson é uma partícula cujo nome é também derivada do nome de um outro físico, o indiano Satyendra Nath Bose, contemporâneo e amigo de Einstein.

O sufixo grego "-on" é acrescentado ao nome de todas as partículas descobertas, uma convenção aceita desde o século passado.

Mas alguns físicos foram mais poéticos ao batizar suas descobertas.

Lembra-se da história do "átomo indivisível"? Aqui está uma amostra do que os físicos gostam de chamar de "zoológico de partículas".

1. Bóson

Uma classe de partículas frequentemente associadas com forças (como portadoras de força).

Elas obedecem às estatísticas de Bose-Einstein, e foram nomeadas em homenagem ao físico indiano Satyendra Nath Bose (1894-1974).

2. Bóson de Higgs / Partícula de Deus / Partícula-Deus

O bóson de Higgs, proposto por Peter Higgs (entre outros) em 1964 - se existir realmente - é a partícula que dá massa à matéria.

O apelido de partícula-Deus, ou partícula de Deus, foi dada pelo físico norte-americano Leon Lederman - "se Deus fez a luz, o bóson de Higgs deu-lhe materialidade".

3. Quark

Uma partícula fundamental que se combina para formar uma série de outras partículas, incluindo os bem conhecidos prótons e nêutrons, as partículas que compõem o núcleo atômico.

O termo foi tirado do intraduzível romance Finnegans Wake, de James Joyce, pelo físico norte-americano Murray Gell-Mann (nascido em 1929) em 1962.

Gell-Mann conta que teve a ideia do som, e queria batizar a partícula de kwork.

"Então, em uma das minhas folheadas ocasionais de Finnegans Wake, de James Joyce, deparei-me com a palavra 'quark' na frase 'Três quarks para Muster Mark'," conta ele em seu livro, o Quark e o Jaguar.

4. Hádron

Uma partícula feita de quarks.

O nome foi proposto pelo físico teórico russo Lev Okun (nascido em 1929) em 1962.

Ele escreveu: "Neste relatório, vou chamar as partículas de interação forte de hádrons... o grego 'hadros' significa 'grande', 'maciço', em contraste com 'leptos' que significa 'pequeno', 'leve'. Espero que esta terminologia demonstre-se conveniente."

O famoso LHC, o maior experimento científico já construído, mostra bem do que se trata - seu nome é Grande Colisor de Hádrons (a sigla vem do inglês Large Hadron Collider)

Ou seja, o LHC é uma máquina onde hádrons são acelerados a altas velocidades e direcionados para chocarem-se uns contra os outros. Foi lá que as pegadas mais fortes do bóson de Higgs foram encontradas.

5. Férmion

Uma classe de partículas que, ao contrário dos bósons, obedecem as estatísticas de Fermi-Dirac.

Os férmions são normalmente associados com a matéria, em vez da força.

Eles são foram batizados em homenagem ao físico italiano Enrico Fermi (1901- 1954), considerado um dos pais da bomba atômica, juntamente com Robert Oppenheimer.

6. Glúon

Um tipo de bóson responsável pela força forte entre os quarks.

O termo deriva d palavra inglesa glue (cola).

Foi proposta pela primeira vez em 1962 por Murray Gell-Mann, que sugeriu a existência de partículas compostas de certo número de glúons, que ele chamouglueballs.

7. Neutrino

Partículas com carga elétrica criadas como resultado de certos tipos de decaimento radioativo, com uma massa minúscula, mesmo para os padrões das partículas subatômicas.

Elas foram as estrelas de uma controvérsia recente, sobre se poderiam ou não viajar em velocidade maior do que a da luz.

• Neutrinos não superaram a velocidade da luz

Neutrino significa "um pequeno neutro" em italiano.

A existência dessa partícula foi proposta por Wolfgang Pauli (1900-1958) em 1930, que lhe deu o nome de "nêutron".

Enrico Fermi rebatizou-a três anos depois, porque "nêutron" (do latim para "neutro") estava então sendo usado para se referir à partícula sem carga presente no núcleo atômico.

8. Elétron

Uma quantidade indivisível de carga elétrica, proposta em 1894 pelo físico irlandês George Johnston Stoney (1826-1911).

Derivado da palavra "elétrico" (ou do latim "electro") mais o sufixo grego "-on".

9. Méson

Uma partícula composta de um quark e um anti-quark.

O nome vem do grego "meso" que significa "meio", porque os mésons, quando observados pela primeira vez, pareciam ter uma massa em algum lugar entre a massa de um elétron e dos núcleons (as partículas - prótons e nêutrons - que compõem o núcleo atômico).

10. Múon

Uma de um grande número de partículas com o nome de letras do alfabeto grego, neste caso, "mu".

Ela foi originalmente pensada para ser um tipo de méson (o méson mu, distinta, digamos, do méson pi), mas foi rebatizada mais tarde.

Os mésons passaram a ser entendidos como partículas feitas de quarks, enquanto os múons são partículas elementares.

Os cientistas do CERN encurralaram o bóson de Higgs (ou o provável bóson de Higgs) utilizando um detector conhecido como CMS (Compact Muon Solenoid), que mede a energia e o momento de múons, fótons, elétrons e outras partículas geradas pelas colisões de hádrons.

E mais cinco ...

Lépton - um tipo de partícula elementar (os exemplos incluem os elétrons e os neutrinos), cujo nome vem do grego "leptos" que significa "pequeno" ou "leve".

Fóton - um quantum de luz. O nome deriva do grego "phos", que significa "luz".

Skyrmion - um tipo de férmion proposto pelo físico britânico Tony Skyrme (1922-1987).

Próton - nome dado ao núcleo de hidrogênio por Ernest Rutherford, em 1920. A palavra vem do grego "protos", que significa "primeiro".

WIMP - Partícula maciça fracamente interativa, que alguns acreditam ser o "átomo da matéria escura".

Entenda como os físicos procuram o Bóson de Higgs

Com informações do Berkeley Lab e Nature - 03/07/2012

Simulação do canal de dois fótons, um dos dois maiores candidatos para ter sido percorrido pela partícula que pode ser - mas pode não ser - o Bóson de Higgs.[Imagem: CERN]

Pode não ser o Bóson de Higgs?

Na madrugada desta quarta-feira, 04h00 no horário de Brasília, o CERN, a organização por trás do maior colisor de partículas do mundo, o LHC, anunciará seus tão esperados resultados sobre o tão esperado Bóson de Higgs.

Os dados foram coletados pelos dois maiores detectores do LHC, o (A Toroidal LHC Apparatus) e o CMS (Compact Muon Solenoid).

Tudo indica que serão anunciados "fortes indícios" da existência da Partícula de Deus.

• Veja aqui o anúncio oficial do CERN

Contudo, qualquer que seja o sigma alcançado pelos resultados - é necessário superar 5 para ser considerado uma descoberta - tudo o que os físicos poderão dizer será: "Há algo lá."

Mas será mesmo o Bóson de Higgs? Pode ser. E pode não ser.

Mas por que, com tanto alvoroço, e depois de tantas pesquisas, eles não conseguirão ter certeza?

Para entender isso, é necessário ter ao menos uma vaga ideia do que seja o Bóson de Higgs, a Partícula de Deus, e como os físicos tentam encontrá-la.

Por que as partículas têm massa?

Um bóson de Higgs é uma excitação, uma ressonância - uma representação fugaz, elusiva - do campo de Higgs, que se acredita estender por todo o espaço e dar massa a todas as outras partículas.

No instante do Big Bang, era tudo uma coisa só, um estado de simetria, que durou praticamente tempo nenhum, tendo sido imediatamente quebrada.

Partículas de matéria, chamadas férmions, emergiram desse mar de energia (massa e energia sendo intercambiáveis), incluindo os quarks e os elétrons, que iriam, muito mais tarde, formar os átomos.

Juntamente com eles vieram partículas carreadoras de força, chamadas bósons, que iriam ditar as inter-relações entre todas as partículas. Todos os bósons tinham massas diferentes - em alguns casos, massas muito diferentes.

Usando os conceitos de campo de Higgs e Bóson de Higgs, o Modelo Padrão da Física explica porque os quarks, prótons, elétrons, fótons, e um enorme zoológico de outras partículas têm as massas específicas que eles apresentam hoje.

Como reconhecer o Bóson de Higgs

Estranhamente, no entanto, o Modelo Padrão não consegue prever a massa do próprio Bóson de Higgs - isso só pode ser feito experimentalmente.

E é isso que os cientistas do LHC e do finado colisor Tevatron, nos Estados Unidos, estão tentando fazer.

O problema é que está muito longe de ser simples saber quando o Bóson de Higgs terá sido realmente encontrado.

Qualquer partícula que contenha tanta energia quanto o Bóson de Higgs dura apenas uma fração minúscula de um segundo, antes de se desfazer em outras partículas - um processo chamado decaimento -, cada uma com energia menor.

E mesmo estas resultantes decaem em partículas com energia ainda menor, até finalmente deixarem um rastro que os detectores ATLAS ou CMS conseguem enxergar - ou inferir.

Esquema do detector interno do experimento ATLAS. [Imagem: CERN]

Canais de decaimento

De acordo com o Modelo Padrão, o Bóson de Higgs pode decair em pelo meia dúzia de diferentes padrões de trilhas, ou canais.

A probabilidade de cada caminho varia.

Por exemplo, há uma baixa probabilidade de que um Bóson de Higgs com massa equivalente a 100 bilhões de elétron-volts (100 GeV) de energia vá decair em um par de bósons W, portadores da interação fraca.

No entanto, se sua massa for de 170 GeV, a probabilidade de seu decaimento por este canal seria muito elevada.

Mas as medições anteriores, incluindo as feitas no ano passado pelo LHC, e as anunciadas ontem pelo Tevatron, já excluíram muitas massas possíveis para um Bóson de Higgs dentro do Modelo Padrão.

Com base nisso, espera-se detectar algum sinal por volta de 125 ou 126 GeV.

Esses dois canais envolvidos, chamados de canal de dois fótons e canal de quatro léptons, certamente não são as rotas de decaimento mais prováveis.

Segundo Beate Heinemann, dos Laboratórios Berkeley, "a probabilidade que um Bóson de Higgs de 125 GeV decaia em dois raios gama é de cerca de dois décimos de um por cento, e a probabilidade de que ele decaia em quatro múons ou elétrons é ainda menor."

Ou seja, os físicos encontraram um sinal em um lugar muito improvável.

Encontrar a música no ruído

A chave de tudo - de todas as interpretações das todas as medições de todos os canais dos detectores ATLAS e CMS - é o ruído de fundo.

Mesmo que os canais de dois fótons e quatro léptons tenham uma probabilidade baixa, eles são relativamente livre de ruídos, sinais produzidos por detritos de outras partículas que obscurecem as evidências em outros canais.

As rotas mais prováveis para o decaimento de um Bóson de Higgs com massa próxima a 125 GeV seria o de um quark bottom e um antiquark bottom, ou um par de bósons W, ou um par de partículas tau - mas todos eles são muito mais difíceis de detectar.

"Pacotes de prótons cruzam na frente uns dos outros 20 milhões de vezes por segundo dentro do detector ATLAS, com uma média de 20 colisões em cada cruzamento," explicou Heinemann.

Filtros eletrônicos selecionam automaticamente os eventos, reduzindo-os para cerca de 100.000 por segundo, apontados como de possível interesse.

Softwares sofisticados reduzem ainda mais a seleção, para algumas centenas de eventos por segundo, que são então gravados e armazenadas para estudos posteriores.

Vários físicos criticam essas técnicas, dizendo que o LHC está jogando fora dados demais, que poderiam conter alguma coisa interessante.

"Nós tentamos manter tudo o que alguém poderia pensar que poderia ser interessante," defende Heinemann.

Ou seja, o problema não é só saber o que, mas também onde procurar - ainda que isso lembre a lenda na qual o herói perdeu a agulha dentro de casa, mas resolveu procurá-la lá fora por estar mais claro.

Há algo lá

É com base nessa seleção, de dois canais de baixa probabilidade, mas mais fáceis de entender, que os cientistas tiraram suas conclusões que serão anunciadas na madrugada desta quarta-feira.

Analistas consideram difícil que o fator sigma 5, necessário para estabelecer uma descoberta, tenha sido superado.

Mas ainda que seja, o que eles terão realmente observado, será o Bóson de Higgs?

Difícil responder, mas virtualmente impossível de responder com certeza.

A revista Nature publicou ontem uma reportagem cujo título é: "Físicos encontram nova partícula, mas será o Higgs?"

"Ok, há algo lá - uma ressonância," disse Martinus Veltman, da Universidade de Michigan, ganhador do Prêmio Nobel de Física em 1999. "Agora nós teremos que descobrir se ela tem todas as propriedades que se supõe que o Bóson de Higgs tenha."