Bóson de Higgs: ajuda a jornalistas

É, parece que o tema do momento é o bóson de Higgs. No dia 04/07/2012, cientistas encontraram, no LHC, uma nova partícula que acreditam ser o bóson de Higgs, pois parece se comportar de maneira consistente com o que é esperado dele pela teoria. O problema é que boa parte dos textos "explicativos" encontrados por aí têm muitas partes pouco compreensíveis. Alguns amigos jornalistas me pediram ajuda; aqui vão algumas informações. Elas não substituem os textos de referência; são apenas guias para se orientar melhor por eles. 

O que é o bóson de Higgs? Também chamado bosão de Higgs, é uma partícula subatômica, tal como o próton, o nêutron ou o elétron. Mas, diferentemente do próton e do nêutron, que são formados por partículas ainda menores (são formados por três diferentes tipos de quarks cada um), o bóson de Higgs é uma partícula "elementar", ou seja, não tem constituintes mais básicos (outra partícula elementar é o elétron) - P.S.17/08/12: há no entanto teorias alternativas nas quais o Higgs é composto. Ela ainda não havia sido observada, mas sua existência é uma consequência natural do edifício teórico atual da física das partículas, chamado Modelo Padrão. Uma maneira curta de dizer isso é falar que o Modelo Padrão "prevê" sua existência.

Se o bóson de Higgs é uma partícula subatômica, ele faz parte dos átomos? Não. Ele não existem "por aí", como elétrons e prótons. Na veradade, a maior parte das partículas elementares conhecidas não existe "por aí" nem faz parte dos átomos. Elas só aparecem quando são produzidas em reações envolvendo outras partículas, quando estas colidem entre si em energias muito altas. Elas "vivem" muito pouco, só durante o processo de colisão - em uma pequena fração de segundo, "decaem" em outras partículas. Então, tais partículas só se manifestam nesses casos. Assim é também o bóson de Higgs. Para produzi-las, os físicos usam os aceleradores de partículas, que realizam tais colisões muito energéticas (entre prótons e prótons, por exemplo).

Por que achar o bóson de Higgs é importante? Para verificar se o Modelo Padrão, a teoria atual da física das partículas, está correto.

O que acontece se for provado que o bóson de Higgs não existe? Resposta curta: Se o bóson de Higgs não existir, o Modelo Padrão não estará correto e teríamos que encontrar uma nova teoria modificá-lo bastante. Até aí, nenhuma diferença com qualquer outra previsão da teoria que venha a ser testada. Só que, no caso do bóson de Higgs, o buraco é mais embaixo. Pois a existência do bóson de Higgs está relacionada com princípios muito fundamentais que jazem na própria base da teoria. Se provarem que ele não existe, as consequências seriam catastróficas: a teoria preveria que a massa de todas as partículas - portanto, de toda a matéria conhecida - seria zero! Nesse caso, teriam que achar novos princípios e reconstruir tudo.

Resposta longa: Como eu disse acima, o buraco é mais embaixo do que simplesmente verificar a previsão de uma teoria. O Modelo Padrão se parece mais com um conjunto de teorias com alguns princípios fundamentais comuns que as amarram, formando um todo harmônico e unificado, um edifício teórico portentoso. Se algumas das partículas previstas por ele não tivesse sido confirmada, bem, teriam que mudar coisas grandes no edifício, teriam que talvez trocar uma das teorias amarradas nele. Porém, o caso do bóson de Higgs é particularmente fatal. Ele é uma consequência está relacionado não a uma dessas teorias amarradas no Modelo Padrão, mas sim a um dos princípios fundamentais que subjazem na própria base de todo o edifício. O nome desse princípio é "simetria local de calibre". Trata-se de um conceito um pouco abstrato e para explicá-lo eu teria que gastar um pouco mais de parágrafos; mas o importante aqui é que, se o bóson de Higgs não existir, esse princípio fundamental teria como consequência automática que todas as partículas existentes tenham massa zero (e portanto toda a matéria conhecida teria massa zero). O que é evidentemente um absurdo. Para "salvar" a teoria, foi proposto em 1964 um mecanismo teórico ("mecanismo de Higgs") com o qual as partículas adquiririam massa dentro da teoria. A existência do bóson de Higgs é uma consequência natural desse mecanismo. Assim, se for confirmado que o bóson de Higgs não existe - e se não conseguirem construir nenhum outro "mecanismo teórico" que substitua o de Higgs (P.S. de 14/07/12) -, não poderíamos usar a simetria local de calibre e a teoria terá problemas estará inteiramente errada, no nível de seus princípios mais básicos. Possivelmente teriam que encontrar outros princípios fundamentais para reconstruir uma nova teoria. Partir quase do chão novamente. Daí o auê em torno do bichinho.

O que acontece se a partícula encontrada no dia 04/07/12 não for o bóson de Higgs? Então terão que procurá-lo com outras massas. De qualquer forma, é extraordinário que tenham encontrado uma partícula nova ainda não prevista por nenhum modelo teórico. Sua existência teria que ser explicada, o que poderia levar a desenvolvimentos teóricos bastante excitantes.  

O Brasil está envolvido nessas pesquisas? Sim. Há 7 instituições brasileiras envolvidas nos experimentos que produziram os resultados do dia 04/07 sobre a nova partícula: UFRJ, USP, UFJF, UFSJ, UERJ, CBPF e UNESP. Vide a lista dos países e instituições em:
http://cms.web.cern.ch/content/cms-collaboration (CMS)
e
http://atlas.web.cern.ch/Atlas/Management/Institutions.html (ATLAS)

CMS e ATLAS são dois grupos de pesquisa distintos que buscam o Higgs no LHC. Há vários grupos de pesquisa lá. Uma lista desses grupos está aqui:
http://lhc.web.cern.ch/lhc/LHC_Experiments.htm

Como os brasileiros participaram da busca pelo bóson de Higgs? O anúncio do dia 04/07 é resultado da análise de milhões de dados colhidos pelo LHC ao longo de meses de funcionamento (vide item "Por que o LHC demorou tanto para encontrar o Higgs", abaixo). Esses dados foram analisados por computadores de dezenas de instituições em vários países, entre os quais o Brasil. É possível, porém, que haja também profissionais e estudantes brasileiros participando diretamente no próprio LHC das pesquisas.

Por que o LHC demorou tanto para encontrar o Higgs? O anúncio da nova partícula no dia 04/07 não é resultado de um experimento simples realizado nos dias anteriores. Em um acelerador de partículas, partículas subatômicas colidem violentamente entre si, em velocidades muito próximas à da luz, para produzir partículas novas - entre as quais o bóson de Higgs, se as condições forem adequadas. Acontece que tais experimentos produzem resultados apenas estatísticos, e é preciso deixar o aparelho funcionando por bastante tempo, com muitas colisões ocorrendo, até que os dados estatísticos se acumulem o suficiente e adquiram um grau de certeza que satisfaça os padrões atuais da ciência. Para chegar aos resultados atuais, foi necessário deixar o LHC funcionando por meses a fio, produzindo milhões de dados. Esses dados devem ser analisados por computadores. Não só os do próprio LHC. Há dezenas de instituições espalhadas pelo mundo para analisá-los.

Por que os físicos dizem que o bóson de Higgs explica as massas das partículas subatômicas? A teoria, se fosse desprovida do bóson de Higgs, preveria que as partículas subatômicas não teriam massa, o que é absurdo. Para resolver isso foi proposto o "mecanismo de Higgs", um artifício teórico que tem como consequência natural a existência dos bósons de Higgs. As massas surgem na teoria da seguinte forma: associado ao bóson de Higgs, existe um campo, o "campo de Higgs", análogo aos campos de força conhecidos (elétrico, magnético, gravitacional etc.), e que permeia todo o espaço. Interpretar fisicamente a matemática envolvida é um pouco complicado, mas, segundo a interpretação corrente, as partículas (que não teriam massa sem o bóson), adquirem-na interagindo com o campo de Higgs, como se este fosse um meio viscoso que atrasasse o movimento das partículas, emulando uma "inércia" para elas. Mas, espere, o que explica a massa é o campo de Higgs ou o bóson de Higgs? O campo de Higgs e o bóson de Higgs estão intextricavelmente ligados - na verdade, são dois lados, duas manifestações distintas da mesma realidade física (na teoria quântica, campos de força estão sempre associados a partículas desta forma - os campos elétrico e magnético, por exemplo, estão associados a fótons). Por isso, é possível falar que o próprio bóson "explica" as massas, ao invés de o campo de Higgs.

Obs.: em uma versão anterior, eu tinha dito que achava a frase "o bóson de Higgs explica as massas das partículas" um tanto sensacionalista por não concordar com essa interpretação. Voltei atrás após alguns esclarecimentos.

Se for confirmado que a partícula que encontraram no dia 04/07/12 é mesmo o bóson de Higgs, então, terão "fechado" o Modelo Padrão? Não. Na verdade, a teoria sobre o bóson de Higgs não está completa; falta parte da expressão matemática que o descreve e na verdade não se sabe sequer se existe um ou mais bósons de Higgs. Serão necessários mais experimentos para verificar se há mais deles por aí.

O LHC não é a única instituição procurando o Higgs. Tem também o Fermilab, nos EUA (seu acelerador chama-se "Tevatron"). Existe uma competição entre os dois. Os físicos dizem que não existe rivalidade, mas observe-se só esta matéria, publicada dois dias antes do anúncio do dia 04/07: http://br.noticias.yahoo.com/eua-anunciam-mais-s%C3%B3lida-evid%C3%AAncia-b%C3%B3son-higgs-195858765.html

O que o LHC fará depois que for encontrado o bóson de Higgs? O LHC não foi construído só para procurar o bóson de Higgs. Os bósons de Higgs são apenas a estrela da vitrine para os cientistas justificarem os US$ 9 bilhões investidos (em 1993, um acelerador ainda maior, o SSC, foi cancelado nos EUA porque os congressistas acharam que o preço não o justificava, e isso deixou os cientistas traumatizados).Vejamos:

Primeiro, o LHC também vem testando as previsões de várias teorias que tentam ir além do Modelo Padrão. E vai continuar testando depois. Por exemplo, entre as teorias testadas pelo LHC, existe toda uma classe de teorias diferentes que prevêem a existência de um grupo inteiro de partículas chamadas supersimétricas (a teoria das cordas é uma delas). O LHC vem procurando essas partículas, mas não as tem encontrado. Isso não significa que não existam, elas podem simplesmente ser pesadas demais para o LHC.

Segundo, o LHC pesquisa o que acontece em colisões com energias nunca exploradas antes, e pode ser que novos fenômenos imprevistos sejam encontrados (ou não). Na verdade, há motivos para se supor que o Modelo Padrão não seja a última palavra. Para se construir uma teoria melhor, é preciso encontrar discrepâncias entre as previsões do modelo e os resultados dos experimentos. Essas discrepâncias guiarão os teóricos na construção da nova teoria. Discrepâncias já foram encontradas, mas são poucas demais para que se possa inferir uma nova teoria a partir delas. O LHC vem procurar mais delas.

Mas, afinal, o que é o LHC? Como funciona? O LHC um acelerador de partículas gerenciado pelo Centro Europeu de Pesquisas (CERN), situado exatamente na fronteira entre França e Suíça, perto de Genebra. Um acelerador de partículas é uma máquina serve para estudar experimentalmente a física das partículas (testar teorias ainda não totalmente confirmadas, investigar fenômenos novos, verificar se há discrepâncias com a teoria atual). Algumas partículas subatômicas existem por aí prontas para serem observadas, como elétrons, prótons, fótons e neutrinos. Mas a maior parte delas não; elas só aparecem fugazmente em reações envolvendo outras partículas (assim como em reações químicas, há substâncias que só aparecem fugazmente em estágios intermediários da reação). O bóson de Higgs é uma dessas partículas fugazes. Os aceleradores aceleram partículas a velocidades muito próximas da da luz e fazem-nas colidir violentamente umas com as outras. Isso provoca reações que produzem novas partículas. Essas partículas costumam "viver" pouco tempo - elas rapidamente decaem em outras partículas - e o que os detectores colocados ao redor do aparelho detectam são, na verdade, essas partículas "secundárias". Assim, o bóson de Higgs não é detectado diretamente, o que é detectado são as partículas originárias do seu decaimento. Para identificar a existência do bóson de Higgs, deve-se detectar as partículas observadas, medir suas massas, suas velocidades, e comparar com o que a teoria prevê. Se os dados forem consistentes com o que se espera do comportamento de um bóson de Higgs, então, opa, devemos ter comprovado que eles existem mesmo, apesar de não os termos visto diretamente.

Os aceleradores de partículas não são o único modo de se pesquisar experimentalmente a física das partículas. O outro é a observação de raios cósmicos. A vantagem destes últimos é que com eles é possível observar partículas disparadamente muito mais energéticas que a dos maiores aceleradores (além disso, é muito mais barato). A desvantagem é que não dá para fazer experimentos controlados. O Brasil tem uma tradição na física de partículas com raios cósmicos, que remonta a Gleb Wataghin e a César Lattes.


Por que é tão difícil encontrar o bóson de Higgs? Porque é uma partícula muito pesada. Para uma partícula ser produzida em uma colisão, essa colisão precisa ter energia suficiente, porque na maioria dos casos práticos a massa dessa partícula virá, em sua maior parte, da energia cinética de colisão (lembrando que a teoria da relatividade especial diz que energia pode ser transformada em matéria e vice-versa). Assim, quanto mais pesada a partícula, mais difícil produzi-la. Foram necessários US$ 9 bilhões para conseguir uma máquina que conseguisse acelerar partículas com energia suficiente para produzir a partícula observada no dia 4 - que é 134 vezes mais pesada que o próton.

Por que o LHC é tão grande? Porque, quanto maior a massa da partícula que se quer produzir, maior tem que ser a energia das colisões. Logo, maior a velocidade das partículas que colidem. A velocidade, no caso do LHC, é tão grande que ainda não existe uma forma de obrigar as partículas a fazerem uma curva suficientemente fechada para sua trajetória caber em uma máquina pequena. Ele tem a forma de um anel. Foi necessário então metê-lo em um túnel subterrâneo circular de 27 quilômetros de comprimento.

O LHC pode acabar com o mundo? Não. Esse mito surgiu porque algumas teorias sugerem a possibilidade dele produzir buracos negros microscópicos. Só que o tempo de vida de tais buracos negros seria de uma fração de segundo e não fariam nada com ninguém (talvez nem mesmo fôssemos capazes de detectá-los). Mas isso foi anunciado sem muito cuidado, o que assustou algumas pessoas e produziu um boato que depois adquiriu vida própria.

O que o bóson de Higgs tem a ver com Deus? Nada. "Partícula de Deus" é apenas um apelido bem-humorado. A tradução em português não é muito boa (no inglês, "God particle" é mais "partícula-deus").

O que são esses "GeV" e "TeV" de que os físicos falam? Trata-se de unidades de energia adequadas para a física das partículas, mas são também usadas para medir massa. Um MeV, ou megaelétron-volt, é um milhão de elétrons-volt, assim como um megabyte é um milhão de bytes. Um GeV, ou gigaelétron-volt, é mil MeV, e um TeV, ou teraelétron-volt, é mil GeV. Para se ter uma ideia do tamanho disso, para se retirar um elétron de um átomo de hidrogênio, são necessários 13,6 eV. Se transformarmos um elétron em energia pura (transformação de matéria em energia), obteremos 0,511 MeV. Se transformarmos a partícula encontrada no dia 04/07 em energia pura, obteremos 126 GeV. Então, diz-se, por abuso de linguagem, que sua massa é de 126 GeV.

Esse nome esquisito, "elétron-volt", foi escolhido porque a sua definição formal é: um elétron-volt é a energia cinética que um elétron adquire quando é acelerado (a partir do repouso) por um potencial de um volt.


Algumas considerações adicionais sobre o Modelo Padrão e o pós-Modelo Padrão:

(1) O Modelo Padrão, teve previsões quantitativas verificadas zilhões de vezes de inúmeras formas, não só pela observação de outras partículas que previu, mas também com cálculos quantitativos sobre as interações entre as partículas subatômicas, que podem ser verificados em experimentos nos aceleradores de partículas e em observações de raios cósmicos (como Lattes fazia). À primeira vista, isso pode levar a concluir que o bóson de Higgs necessariamente exista. Seria penas uma confirmação a mais dentre tantas outras.

(2) Porém, por outro lado, há razões muito fortes para se crer que o Modelo Padrão não deva ser a última palavra. Por isso, é possível que o bóson de Higgs não exista, mesmo tendo em vista os sucessos descritos no item (1). A principal razão para essa desconfiança no Modelo Padrão é que ele é incompatível com a Teoria da Relatividade Geral (de Einstein), cujas previsões também já foram verificadas zilhões de vezes. Ou seja, nem o Modelo Padrão e nem a Relatividade Geral devem ser a última palavra. Seria então necessário encontrar uma teoria maior que fosse consistente com ambas, que as englobasse. Isso, na verdade, é uma das principais fronteiras da física teórica hoje, que ocupa gente como Stephen Hawking - a famosa teoria das cordas é uma candidata a ser essa "teoria maior", mas ela ainda não foi verificada experimentalmente; o LHC vem ajudando também nisso. Qual o ponto de partida para construir tal "teoria maior"? O ponto de partida é procurar discrepâncias entre as previsões do Modelo Padrão e os resultados dos experimentos. Essas discrepâncias serviriam como "guia". Na verdade, tais discrepâncias existem, mas são, por enquanto, poucas demais e pequenas demais para tornar possível inferir qualquer teoria a partir delas. É por isso, aliás, que constróem aceleradores cada vez maiores: para encontrar mais de tais discrepâncias. (Ei, mas o LHC não foi construído para encontrar o Higgs? Sim, também, mas essa é a justificativa-vitrine dos 9 bilhões; ele serve para muitas outras coisas.).



Alguns links:

[P.S. 06/07/12] Este post da Tatiana Nahas no seu blog Ciência na Mídia possui vários links interessantes para quem quiser saber mais: A matéria-prima para a formação do Universo em poucos cliques

Este aqui parece bastante explicativo:
http://fisicamoderna.blog.uol.com.br/arch2012-07-01_2012-07-07.html?utm_medium=twitter&utm_source=twitterfeed#2012_07-04_12_44_10-7000670-0

Texto com alguns detalhes mais aprofundados sobre como foi feita a pesquisa, do blog "Física, Futebol e Falácias", do Luís Gregório:
http://fisicafutebolfalacias.blogspot.de/2012/07/na-espera-do-boson-de-higgs.html

Tutorial do Fermilab (em inglês):
http://www.fnal.gov/pub/presspass/press_releases/2012/files/Higgs_Boson_FAQ_July2012.pdf