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Dossiê Higgs

dezembro 15, 2011
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 “Então, se criarmos um campo de Higgs negativo, e bombardeá-los com um feixe de anti-bosons de Higgs, eles podem desintegrar” – Snow, Solaris (2002)[1], discutindo com Gordon a melhor maneira de destruir os “visitantes”.

Olá, meus caros!

Acredito que vocês já devem ter visto os sites de notícias anunciando que o LHC finalmente disse ter visto “relances” do Bóson de Higgs. Nesse texto, quero tentar, bem resumidamente, fazer um apanhado geral do que está acontecendo, e porque essa busca é importante.

Do que o universo é feito?

Desde os primórdios a humanidade busca responder a essa pergunta. Até onde sabemos, filósofos da Grécia antiga foram os primeiros a propor a existência de blocos fundamentais da matéria, a partir dos quais todo o universo é feito. Muito do nosso conhecimento mudou desde a Grécia antiga até hoje, mas a vontade de descobrir quais são os menores componentes da natureza continua. Principalmente nos últimos 100 anos, a nossa compreensão deu um salto gigantesco. Existem pessoas vivas hoje que nasceram numa época em que não se tinha certeza da existência de átomos como temos hoje. Numa época em que não se sabia da existência de prótons e elétrons. Numa época em que ainda se pensava que o Sol era uma grande fornalha, e que a idéia de energia nuclear nem sequer passava pela cabeça das pessoas.

Hoje não temos nenhuma dúvida da existência de átomos. Praticamente toda a matéria do nosso cotidiano é feita deles, desde um bloco de concreto, a areia na praia, o ar que respiramos ou as células do nosso corpo. A ciência hoje é tão surpreendente que temos microscópios que nos permitem ver átomos, um por um! Com aceleradores de partículas podemos ir mais além, e estudar do que os átomos são feitos, e quanto mais mergulhamos nessa busca, mais nos surpreendemos. Hoje entendemos de maneira incrível as forças da natureza, e porque boa parte das coisas são o que são.  Hoje conhecemos as diversas partículas que compõem os átomos, que um dia já foram considerados os menores blocos da matéria. Descobrimos ainda que é possível fabricar átomos inteiramente novos, a partir de blocos que simplesmente não sabíamos da existência! Junto com o estudo da astronomia e cosmologia, mais perguntas são respondidas. Hoje sabemos que os átomos que compõem nosso corpo foram produzidos em explosões de estrelas há bilhões de anos atrás. Sabemos que o nosso Sol já foi uma outra estrela maior, bem antes dos planetas existirem. Sabemos que o Sol um dia vai explodir, numa fabulosa explosão, e desintegrar boa parte dos planetas, inclusive a Terra.

Esse conhecimento e muito mais foi obtido a partir da busca de tentar entender essa pergunta, “do que o universo é feito?”. E a busca não pára. A nossa sede de conhecimento nos faz correr atrás de máquinas “microscópios” cada vez mais poderosas. Até presente momento, a máquina que representa a fronteira do conhecimento humano a respeito da matéria é o LHC. E um desses blocos fundamentais da matéria, o Higgs, é o que está faltando para fecharmos com chave de ouro um capítulo do livro do conhecimento, e iniciarmos um próximo.

O LHC

Para começar, o LHC, sigla em inglês para “Grande Colisor de Hádrons”, é um acelerador de partículas subterrâneo localizado na fronteira entre a Suíça e a França, em Genebra. Hádrons são como chamamos as partículas compostas de quarks, sendo as mais conhecidas os prótons e os nêutrons que formam os núcleos atômicos que estudamos no colégio. O que o LHC faz é acelerar prótons (e ás vezes nêutrons, dependendo do que você quer tentar medir) a uma velocidade absurda para os nossos padrões, de 99.9999991% da velocidade da luz.

O Túnel Subterrâneo do LHC, no qual o feixe de prótons é acelerado e onde ocorrem as colisões. Imagem e direitos autorais do CERN.

Dois punhados de prótons são acelerados em direções opostas, e eles ficam girando no túnel de 26km até atingir a energia desejada (na velocidade máxima atingida, eles dão cerca de 11 mil voltas completas em um segundo!). Em alguns locais do túnel os dois punhados são postos para colidir. Ao redor do local da colisão, existem enormes detectores prontos para detectar qualquer coisa que for produzido ali.

Como é?

Embora aprendemos no colégio que matéria se conserva, no mundo do muito muito pequeno (das “partículas elementares”, as menores partículas que compõem o universo) isso não é bem assim. A energia sim, se conserva e, como expresso pela famosa equação E=mc² , massa também possui energia, que chamamos “energia de repouso”. Então no mundo “micro”, regido pelas leis da física quântica, partículas podem se transformar em outras, desde que conservando a energia.

“Zoológico” conhecido de partículas elementares. A primeira coluna são as partículas estáveis do nosso universo. Em verde, as partículas responsáveis pelas forças da natureza (elétrica, nuclear forte e nuclear fraca). Imagem do astro.iag.usp.br.

Além das partículas que encontramos aos montes no nosso mundo, isto é, os elétrons, os quarks up e down (que compõem os prótons e nêutrons) e os não tão conhecidos neutrinos, sabemos até o momento que existem diversas outras partículas, de certa forma parecidas com as “populares”, porém mais pesadas. O problema com essas mais pesadas é que justamente por possuírem bastante energia, elas decaem em partículas mais leves, e deixam de existir (o processo é análogo a quando um átomo de Urânio por exemplo, bastante energético, decai e se transforma em um elemento mais leve).

Para produzir essas partículas “gordas”, basta colidir as partículas leves corretas numa energia alta o suficiente. A energia total da colisão deve ser pelo menos igual a energia de repouso (E=mc²) da partícula que você deseja produzir.

E é exatamente por isso que precisamos de um acelerador tão potente. Conhecemos as partículas acima, que foram produzidas em outros aceleradores, mas é possível que existam mais, ainda mais pesadas, ou pelo menos mais difíceis de identificar. Aceleradores são comuns no nosso dia a dia. Tubos de televisão ou monitores antigos são aceleradores de elétrons. Em hospitais você encontra aceleradores dos mais variados tipos, designados para diagnósticos ou tratamentos como radioterapia. Mas a energia desses aceleradores cotidianos não chega nem perto da energia necessária para produzirmos partículas pesadas. Se existe mais coisas nesse zoológico, precisamos de uma máquina mais potente que todas as produzidas até agora. Essa máquina é o LHC.

O que é o Higgs?

A teoria que descreve as forças da natureza, os decaimentos radiativos e as criações de partículas que descrevi acima funciona perfeitamente bem, exceto por um problema. Essa teoria nos diz que essas partículas não deveriam possuir massa. Deveriam todas ser como o fóton (o “quanta” de luz), sem massa e viajando na velocidade da luz, sem nunca poder parar. Então como dar massa para as partículas sem arruinar a teoria que funciona tão bem, e explica tanta coisa com tamanha precisão?

Uma excitação numa corda cria um pulso que se propaga ao longo dela. Analogamente, uma excitação no campo de Higgs cria uma partícula, o bóson de Higgs.

Existem diversas propostas, mas a mais popular e simples é a existência de um “campo” (o campo de Higgs) que funcionaria como um “freio” para as outras. A analogia seria colocar um objeto que se movia no vácuo agora numa piscina com água. mover esse objeto se torna mais difícil, devido a resistência da água, o que dá a impressão de uma massa maior. O campo de Higgs funcionaria como esse “fluído viscoso”, tornando as partículas pesadas ao se propagarem nele. E, assim como podemos perturbar a água e gerar uma ondulação que se propaga, é possível perturbar o campo de Higgs e gerar um “pulso” nesse campo, uma partícula, o chamado bóson de Higgs.

(na verdade, pela Teoria Quântica de Campos, todas as partículas são excitações de campos, como o do Higgs. O Higgs é especial pois ele seria o único que provoca essa “viscosidade” que tentei descrever.)

Então, se essa proposta estiver mesmo correta, e a massa das partículas for mesmo gerada por interação com esse campo, deve ser possível criar uma perturbação nesse campo hipotético que veremos como uma nova partícula, bem diferente das partículas que conhecemos (e de fato, ela não seria nem uma partícula de matéria, nem uma partícula de força como as outras). E um dos vários objetivos do LHC, desde seu projeto, era a produção e detecção dessa partícula. Ele foi projetado para conseguir atingir energias compatíveis com a energia necessária para a produção do Higgs.

Seek and Destroy! (ou como partículas novas são descobertas)

Atingir energia suficiente é só parte do problema. Partículas com energias bem maiores atingem a Terra o tempo todo vindas do espaço, e produzem na atmosfera reações em cadeia que dão inveja a qualquer físico que estude partículas num laboratório. O problema é como fazer a detecção, como identificar o que está sendo produzido.

Quando os prótons colidem no túnel do LHC, partículas são produzidas aos montes, em todas as direções. E aí entram os detectores. Na imagem do túnel, acima, é possível ver o local onde os detectores estão. Os detectores são basicamente trambolhões gigantescos que cercam o túnel, cujo objetivo é registrar (e enviar para computadores incrivelmente rápidos) a informação de quais partículas estão batendo no detector.

Se isso ficou muito complicado, talvez uma imagem valha mais que cem palavras. Então vejam esse vídeo de uma colisão REAL entre prótons em um dos vários detectores, o CMS. Claro, isso é uma animação gráfica, pois é impossível ver as partículas com os olhos. Mas a animação foi produzida a partir dos dados reais coletados no detector.

Fantástico, não?

Pois bem, sabendo quais partículas foram detectadas, a próxima etapa é tentar reconstruir a colisão. Isso é feito juntando o que já sabemos sobre como produzir as partículas, as energias e velocidades em que elas foram detectadas, e então reconstruímos quais partículas foram produzidas e decaíram nas partículas detectadas.

Este é um exemplo de como reconstruir informação sobre as partículas (não tem a ver diretamente com o LHC, mas é uma boa explicação análoga para explicar o processo). Isso é uma “câmara de bolhas” um experimento simples para detectar partículas. Quando um feixe de prótons atinge o material na câmara, diversas partículas diferentes são produzidas e algumas delas interagem com o material, deixando um rastro. Um campo magnético faz as partículas carregadas girarem numa espiral (o tamanho da espiral indica qual partícula é). Veja as trilhas em forma de “V”, que parece ser duas partículas surgindo do nada. Na verdade, sabemos que elas foram produzidas no decaimento de uma outra partícula, mais pesada, que não interage com o material na câmara. A trajetória da partícula “invisível” é simplesmente a perna do “Y”, quando transformamos o “V” num “Y”.

A diferença entre a imagem e a explicação acima, da câmara de bolhas, para o que acontece no LHC é que o número de colisões e informação analizada é bem maior, e enquanto a informação da câmara de bolhas é extraída no “olhômetro”, a análise dos dados do LHC envolve complicados cálculos, e é feito em computadores potentes.

(para um exemplo de como o pessoal do LHC analiza os dados, clique aqui)

Finalmente, ao Higgs!

E como detectamos então partículas novas? Mais ou menos assim: comparamos os resultados esperados das partículas que já conhecemos com o que realmente medimos quando vamos pro laboratório. Por exemplo, sabemos que determinada partícula X, da figura ao lado, decai 20% das vezes no par azul+roxo, e 80% das vezes no par vermelho+verde. Se detectamos um par das partículas azul e roxa, elas podem ter sido produzidas pela partícula “mãe” X. Em jargão científico, cada forma possível de decaimento é um canal. Fazendo várias colisões, esperamos que o número de pares verde+vermelho sejam 4 vezes mais comuns de surgirem do que os pares azul+roxo. Se for diferente disso, é sinal que exista outra partícula contribuindo para a produção desses pares, em proporções diferentes. Por exemplo, se detectamos após várias colisões o mesmo número de pares verde+vermelho e azul+roxo, isso indica que existe alguma outra partícula também decaindo em verde+vermelho.

Claro, no mundo real a coisa é bem mais complicada. Não temos uma única partícula “mãe” sendo produzida, mas uma porção de partículas diferentes. Não temos um único par sendo detectado em cada colisão, mas como vocês viram no vídeo, uma multidão deles.

E as possíveis formas de decaimento são muito mais do que simplesmente duas. Por exemplo, cada linha da imagem ao lado representa uma possível forma de decaimento do Higgs. Dependendo da massa (que ainda não conhecemos), a probabilidade de decaimento nos diferentes pares de partículas muda. A relação “massa x probabilidade” é o que indica o gráfico, para cada canal de decaimento.

Como vocês podem imaginar, não é nada trivial identificar partículas novas. Não é uma questão somente de produzí-las, mas de conseguir identificar mudanças nas diferentes formas possíveis de decaimento, quando comparado com as partículas que já conhecemos bem (em jargão científico, os decaimentos que já conhecemos são chamados de background). Isso depende do quão bem conhecemos as outras partículas que formam o background, e dos cálculos teóricos que nos permitem estimar as probabilidades dos diferentes decaimentos, como na figura acima.

E é isso que os cientistas do LHC estão fazendo nesse momento. Interpretando, com a ajuda de computadores poderosos e cálculos feitos por diversos grupos, os dados obtidos até o momento, e torcendo para encontrar algo que “não deveria estar lá”. E, depois de praticamente dois anos de colisões e análises, eles acham que podem estar vendo sinais de algo novo, e muito parecido com o Higgs. Mas a quantidade de dados, apesar de gigantesca, ainda não é suficiente para eles subirem no palco e gritar “Encontramos!”

Fun-Fact: Ex-físicos de partículas são os piores biólogos

E Deus?

Um rápido comentário sobre a “Partícula de Deus”. Como o Marcelo Gleiser explicou em seu blog, essa bobagem toda veio de um livro sobre partículas elementares que era pra se chamar “The Goddamn Particle“, algo como “a partícula maldita”, não por ser do mal, mas simplesmente por ser tão difícil de detectar. Os editores do livro acharam que o nome não era bom, e disseram que “The God Particle” (que pode ser traduzido como “A Partícula Deus” ou até “A Partícula Divina”) venderia mais.

Os jornalistas adotaram o nome (porque eles adoram criar polêmica onde não existe), e os jornalistas falantes de português fizeram o desserviço de traduzir errado, e chamar de “A Partícula de Deus” (que é diferente da tradução correta).

Então o Higgs não prova a existência de Deus, nem prova a inexistência. Simplesmente não diz nada a respeito disso.


Sei que esse foi um texto longo, e muitas dúvidas podem ter surgido. Estaremos felizes em tentar respondê-las nos comentários.

Links interessantes:

Sobre o acelerador

http://ciencia.hsw.uol.com.br/grande-colisor-de-hadrons4.htm

Um ótimo texto sobre a relevância da descoberta, por Carlos Orsi

http://carlosorsi.blogspot.com/2011/12/ta-mas-para-que-serve-esse-tal-de-higgs.html

20 Comentários leave one →
  1. Leh permalink
    dezembro 18, 2011 3:59 pm

    Legal. Acho que agora finalmente entendi o que o Caldas dizia qnd falava que partícula era onda em Física 4 🙂

  2. junho 28, 2012 8:24 pm

    Ótimo texto, dando de 10 a 0 em muitos outros por aí!!
    Adorei, vou continuar acompanhando o blog, parabéns pela iniciativa.

    • ddimensoes permalink*
      junho 28, 2012 8:44 pm

      valeu cara! E como pode ver, não tem ainda textos sobre o gato de Schrödinger aqui. =)

      • junho 28, 2012 10:08 pm

        Kk, vc se lembrou, enh?!
        Pode deixar, o gato de Schrodinger pode esperar…
        Até mais. E de novo, parabéns pelo blog.

  3. junho 30, 2012 11:50 pm

    O que realmente vai acontecer se encontrarem o Bóson de Higgs? Ok, o modelo padrão será “terminado”, mas no que isso implicaria?
    -Eu li um artigo agora pouco na Ciência Hoje que dizia que quarta feira haverá uma entrevista coletiva, e esta poderia comprovar a existencia de tal partícula. Abraços, obrigado pela atenção!

    • ddimensoes permalink*
      julho 1, 2012 5:08 pm

      Então, o crucial vão ser os detalhes o Higgs. A massa dele, como ele decai, e outras coisas. Só existir o Higgs não significa que o Modelo Padrão está completamente correto. Na verdade é consenso na grande maioria dos físicos que o Modelo Padrão não é o final. Por exemplo, o modelo padrão não descreve matéria escura, então de forma alguma o nosso conhecimento vai estar completo.

      Sim, dia 4 de Julho, é a coletiva de imprensa. E parece que eles vão anunciar os “5 sigma”, finalmente.

  4. Marcus Vinicius Lamin permalink
    julho 8, 2012 7:44 pm

    Muito bom o texto! Bem acessível a pessoas como eu, leigas no assunto. Isso me faz despertar mais interesse no assunto.

  5. Gilmar Trevisan permalink
    novembro 25, 2012 10:56 pm

    Muito bom.
    Você conseguiu expliacar algo complexo de forma simples.
    Isso, a meu ver, é uma arte.
    Por favor, mande mais artigos como esse.

  6. rafael permalink
    outubro 21, 2013 1:33 pm

    Muito bom. Parabéns, bem diferente das outras explicações que andei vendo.

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