O que é o bóson de Higgs? - Médico - 2023

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4 de julho de 2012. CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) anuncia a descoberta de uma partícula que estávamos atrás por quase 50 anos. Uma partícula que permitiu explicar a origem da existência do Universo. Uma partícula cuja descoberta acabou de ser um dos maiores marcos da história não apenas da física, mas da ciência em geral.

Obviamente, estamos falando sobre o bóson de Higgs. Ou, como a imprensa chamou em uma estratégia de marketing fantástica (mas desafiada pelos físicos): a partícula de Deus. Com um nome que remete a Peter Higgs, o cientista que propôs a sua existência em 1964, esta partícula explica a natureza fundamental da massa das partículas que constituem a matéria do Cosmos.

E depois de tanto tempo desde que ele propôs sua existência e mais de três anos de experimentos no Grande Colisor de Hádrons, a existência dessa partícula foi confirmada que ela fez a última peça do quebra-cabeça dentro do modelo padrão se encaixar.

Mas o que é o bóson de Higgs? Por que sua descoberta foi tão importante? O que aconteceria se essa partícula não existisse? E o que isso tem a ver com o campo de Higgs? Se você deseja encontrar respostas para essas e muitas outras perguntas fascinantes, você está no lugar certo. No artigo de hoje, mergulharemos nos mistérios da “partícula de Deus”.

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Férmions e bósons: o problema da origem da massa

Antes de nos aprofundarmos na análise da natureza e importância do bóson de Higgs, é fundamental que nos situemos em um contexto e entendamos por que foi necessário propor sua existência. E para isso, devemos colocar o problema: não entendemos a origem da massa.

Na segunda metade do século 20, o modelo padrão da física de partículas foi concluído, uma das maiores conquistas da história da ciência. Neste modelo, temos todas as partículas subatômicas que explicam tanto a natureza elementar da matéria quanto a origem fundamental das forças ou interações fundamentais, valendo a pena a redundância.

Como bem sabemos, esse modelo padrão inclui prótons, nêutrons e elétrons, que são as partículas que formam os átomos. Mas eles não são os únicos. Também temos quarks (as partículas elementares de prótons e nêutrons), múons, tays, glúons e, como veremos, o bóson de Higgs. Entre outros.

O modelo padrão tornou possível explicar quase perfeitamente a natureza elementar da matéria e das forças, dividindo as partículas subatômicas em dois grandes grupos:

Fermions: As partículas que constituem a matéria. Tudo o que vemos no Universo. De nosso corpo a uma estrela. A matéria são férmions, que, por sua vez, se dividem em duas famílias: quarks (existem seis tipos e os up e down dão origem aos prótons e nêutrons) e leptons (elétrons, múons e tau). A matéria nasce da combinação desses férmions.
Bósons: Partículas exercidas por forças fundamentais.Eles não compõem a matéria, mas fazem com que surjam interações: eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte. E até a descoberta do bóson de Higgs (teorizou-se a existência do gráviton para explicar a gravidade), tínhamos o seguinte: fóton, glúon, bóson Z e bóson W.

E é agora, com esses bósons, que devemos parar por um momento e conversar sobre como o modelo padrão nos permite explicar todas (ou quase todas) as forças fundamentais do Universo. Os fótons nos permitem explicar a origem quântica do eletromagnetismo (interação entre partículas eletricamente carregadas de maneiras diferentes e repulsão entre partículas com a mesma carga). Glúons, da força nuclear forte (aquela que une prótons e nêutrons no núcleo do átomo). E os bósons Z e W, da força nuclear fraca (aquela que permite o decaimento beta dos nêutrons).

Nesse sentido, além do fato da gravidade não caber (e ainda não caber), o modelo padrão era perfeito, certo? Não. E nos anos 60, chegamos a um beco sem saída. Um paradoxo que nos impedia de entender a origem da massa das partículas.

De acordo com a própria teoria do modelo padrão, os bósons não devem ter massa. E isso é verdade para os fótons. Mas não com os bósons Z e W. Eles eram partículas massivas. Mas se fossem partículas massivas, pela matemática, sua interação tinha que ser infinita em escopo. E a força nuclear fraca era, como o nome sugere, fraca.

Os físicos não sabiam como resolver isso. Não entendíamos de onde vinha a massa de matéria. A massa não parecia uma força. Parecia intrínseco às partículas. Mas se fosse algo intrínseco, a matemática do modelo padrão entrou em colapso.

Felizmente, em 1964, três grupos de físicos publicaram independentemente soluções para esse problema.. E um desses estudos, o último a ser publicado, com o nome de "Simetrias quebradas e as massas dos bósons de gauce" e assinado por Peter Higgs, atraiu atenção especial.

Peter Higgs (Reino Unido, 1929), físico britânico, em um breve artigo, estava propondo a existência no Universo do que chamou de "campo de Higgs" e explicando a origem da massa dos bósons W e Z. Ele dizia que , com efeito, esses bósons não tinham massa. Foi concedido por uma partícula: o bóson de Higgs. A partícula de Deus.

Para saber mais: "Os 8 tipos de partículas subatômicas (e suas características)"

O campo de Higgs: um oceano no Universo

Após a introdução, estamos mais do que prontos para mergulhar na natureza do bóson de Higgs e de o que, como veremos, é verdadeiramente importante: o campo de Higgs. E para entender algo tão complexo como isso, o melhor é uma analogia.

Pense nos peixes do mar. Eles viveram, viveram e sempre viverão em um ambiente aquático. A água é um meio que os rodeia e que, de certa forma, constitui o seu Universo. Ele os permeia e os envolve. Seu Cosmos é água. O oceano.

E mesmo que esteja lá, os peixes nem percebem. Ele está com eles desde o início, então eles não sabem que estão em um médium. Com o campo de Higgs, exatamente a mesma coisa pode estar acontecendo conosco. Nós, a Terra, os planetas, os asteróides, as estrelas e até a última partícula de matéria que existe seríamos os peixes. E o campo de Higgs, o oceano. E depois dessa metáfora, temos que ficar mais técnicos e falar sobre a Teoria Quântica de Campos.

Teoria Quântica de Campos: perturbações, partículas e forças

A Teoria Quântica de Campos é uma hipótese quântica relativística que descreve a existência de partículas subatômicas e a natureza das quatro forças fundamentais como o resultado de distúrbios em campos que permeiam todo o espaço-tempo.

Em outras palavras, devemos parar de pensar nas partículas subatômicas como esferas sólidas e passar a fazê-lo como manifestações ou distúrbios específicos dentro desses campos quânticos, que seriam uma espécie de tecido capaz de flutuações.

Cada partícula seria associada a um campo quântico específico. Teríamos um campo de elétrons, um de quarks, um de múons, um de fótons, um de glúons, um de bósons Z, um de bósons W ... E assim por diante com todo o modelo padrão. As partículas, então, seriam vibrações pontuais dentro desses tecidos que permeiam todo o espaço-tempo. Qualquer partícula é uma perturbação local em seu campo quântico.

E não só nos permite explicar a existência das partículas, mas também a origem das forças fundamentais. Esses seriam fenômenos de comunicação entre diferentes campos quânticos. Ou seja, as interações fundamentais são devidas a trocas de partículas mediadoras (bósons) por meio da transferência de distúrbios entre diferentes campos.

E nesse sentido, o que Peter Higgs propôs em 1964 que deveria haver um campo que passou despercebido, mas que estava lá, permeando todo o Universo e explicando a origem da massa: o campo de Higgs. E, como resultado das perturbações nele, o bóson de Higgs nasce.

Para saber mais: "Teoria Quântica de Campos: definição e princípios"

Qual é o campo de Higgs?

O campo de Higgs é um campo quântico, um tecido que permeia todo o Universo, dando origem a um meio que interage com os campos de outras partículas, dando-lhes massa. Esta é a definição simplificada. Agora iremos mais fundo.

Segundo a teoria proposta em 1964, o campo de Higgs seria um campo quântico cuja simetria foi quebrada poucos momentos após o Big Bang, permitindo assim o aparecimento de massa no Universo. Quando as partículas (que já dissemos são perturbações dentro de seus respectivos campos quânticos) interagem com este campo de Higgs, elas encontram alguma oposição à mudança no movimento. E esta é a chave de tudo.

A massa é apenas isso. Partículas sendo desaceleradas pelo campo de Higgs. O Universo seria uma espécie de geléia em que o campo de Higgs fornece uma viscosidade na qual certas partículas têm mais ou menos dificuldade de movimentação. E dessa desaceleração, surge a massa.

A massa, então, não é uma propriedade intrínseca da matéria. É uma propriedade extrínseca que depende de como a referida partícula afetada é vista pelo campo de Higgs. Nesse sentido, as partículas com maior afinidade (aquelas que mais interagem) com o campo de Higgs são as mais massivas; enquanto aqueles com menos afinidade são os menos massivos.

A massa é uma manifestação do grau em que uma partícula encontra um obstáculo para se mover dentro da geléia do campo de Higgs.. Os Top Quarks são as partículas mais massivas do modelo porque são as que mais interagem com este campo. E os fótons, que não têm massa, são os que menos interagem com ela.

Imagine que você sai para passear em uma rua movimentada. Ninguém te conhece. Você passa sem problemas. Ninguém diminui seu movimento. Mas agora imagine que você é Cristiano Ronaldo. Todo mundo vai vir até você. Eles vão te atrapalhar. As pessoas na rua são o campo de Higgs, você é um fóton e Cristiano Ronaldo, um quark. Tão simples como isso. Tão complexo.

Por ele, que os férmions têm massa e que, portanto, a matéria existe no Universo, é graças ao campo de Higgs. Mas tivemos que descobrir, com experimentação, sua existência. E aqui o bóson de Higgs entra em ação. O importante é o campo. O bóson é apenas a peça que precisávamos procurar para ter certeza de que esse campo existia. E é exatamente isso que o CERN se propôs a fazer.

Por que o bóson de Higgs é tão importante?

O bóson de Higgs é tão importante porque era a nossa única maneira de mostrar que o campo de Higgs existia.. Que havia um tecido que permeou o Universo e que permitiu explicar a origem da massa da matéria.

E, como já dissemos, as partículas são distúrbios dentro de um campo quântico. Quando o campo de elétrons está excitado, você tem um elétron em um ponto do espaço. Portanto, se o campo de Higgs existe, ele deve ser capaz de sofrer distúrbios que resultarão no aparecimento momentâneo de uma partícula. Sua partícula. O bóson de Higgs.

Contudo, para excitar este campo profundo, as energias que eram alcançáveis apenas no Grande Colisor de Hádrons eram necessárias, a maior máquina construída pela humanidade. E depois de coletar dados por três anos causando impacto, com energias de 7 teraeletronvolts e 40 milhões de colisões por segundo, prótons a uma velocidade muito próxima da luz, vimos que, de fato, escondido no espaço-tempo estava esse campo de Higgs.

Encontramos uma partícula sem spin e sem carga elétrica com meia-vida de um zeptosegundo (um bilionésimo de segundo) e que pode ser confirmado como sendo o quantum do campo de Higgs. O bóson que nasceu de uma perturbação neste campo quântico. Tínhamos a partícula de Deus.

Em 8 de outubro de 2013, 49 anos após ter proposto sua existência, Peter Higgs foi capaz de erguer o Prêmio Nobel de Física por ter descoberto a partícula que demonstrou a existência de um campo que permeou todo o Universo, que deu massa às partículas elementares quando interagiu com elas e que permitiu a existência da matéria. Não é a partícula de Deus. Mas sim a partícula graças à qual estamos todos aqui. O campo de Higgs era a última peça que faltava para se ajustar ao modelo padrão. Agora para continuar. Isso é e deve ser ciência.

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Peter Higgs.