Físicos detectam uma nova partícula pesada

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Um evento de colisão próton-próton na experiência CMS, produzindo dois fótons de alta energia (os traços grossos em vermelho). Isso é o que se pode esperar do decaimento de um Bóson de Higgs, mas também é consistente com outros processos físicos mais comuns.
Crédito da Imagem: CERN. © CERN 2012

A assinatura se parece com o longamente procurado Bóson de Higgs.

4 de julho de 2012
Por: Virat Markandeya, Contribuidor do ISNS

(ISNS) — Cientistas de duas experiências no Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider = LHC) na Eurpoa confirmaram a existência de uma nova partícula pesada, muito provavelmente a longamente procurado Bóson de Higgs, graças aos dados de colisões de partículas que resultaram em uma certeza a nível de descoberta, após análise. Os resultados, anunciados em uma importante conferência sobre física de partículas em Melbourne, Australia, marcam o ápice de uma busca por uma partícula pesada que, se acredita, é quem dá a massa a outras partículas elementares tais como elétrons e quarks.

O anúncio representa a mais recente proeza do acelerador de partículas de 9 bilhões de dólares na fronteira franco-suíça, que esmaga partículas subatômicas – mais exatamente prótons – em energias extremamente altas para recriar as condições que se pensa ter existido nas frações de segundo que se seguiram ao Big Bang.

“Para mim, a coisa mais incrível é que tenha acontecido durante minha vida”, declarou Peter Higgs, o teórico britânico de quem a partícula tem o nome e que estava presente na conferência e por vezes parecia sufocado pela emoção. As ideias estavam no ar quando Higgs escreveu um breve artigo de duas páginas em 1964 que fez com que a partícula fosse apelidada de “Bóson de Higgs”. O Higgs era a última partícula ainda não descoberta prevista pelo Modelo Padrão, a teoria básica das partículas e forças da natureza, e que guarda a promessa da revelação de novos fenômenos físicos.

Foi a realização para uma geração de cientistas. “Lágrimas me vieram aos olhos quando o número 5-Sigma apareceu”, diz Howard Gordon do Laboratório Nacional de Brookhaven, que é o Gerente Assistente de Programa da experiência ATLAS para os EUA no LHC. O contingente americano da ATLAS, baseado em Brookhaven e constituído por mais de 700 pessoas de 44 instituições, auxiliou a construir vários de seus detectores e maneja cerca de 20% do esforço mundial de computação envolvido na simulação e análise dos dados do ATLAS.

As duas experiências, CMS e ATLAS, analisaram dados de decaimento de partículas de aproximadamente 500 trilhões de colisões.  Joe Incandela, porta-voz da experiência CMS, explica que, se você imaginar cada colisão como um grão de areia, você teria areia bastante para encher uma piscina olímpica. No entanto, as colisões relacionadas com o Higgs são tão raras que os grãos de areia só cobririam a ponta de um dedo.

Na conferência ICHEP2012 nesta manhã, ambos os grupos relataram “bumps” em seus dados de colisões que indicam a presença de uma partícula com uma massa no entorno de 125-126 bilhões de elétrons-volt (abreviadamente, GeV). Isso é uma massa mais de cem vezes maior do que a do próton, o núcleo de um átomo de hidrogênio que tem apenas cerca de 1 GeV.

Cada uma das experiências do LHC confirmou esses resultados até cerca de 5-sigmas de certeza, o que indica que há uma probabilidade menor do que uma em um milhão de que esses dados sejam meras coincidências, resultantes de algo diferente da presença de uma nova partícula.

“Temos uma nova partícula consistente com um Bóson de Higgs”, declarou Rolf-Dieter Heuer, Diretor-Geral do CERN.

A nova partícula foi detectada a partir dos chuveiros de partículas nas quais ela decai. O Modelo Padrão prediz que o Higgs pode decair em pares de cerca de meia dúzia de tipos de partículas, porém outros tipos mais comuns de matéria podem também apresentar decaimentos semelhantes. Assim, os físicos experimentais têm que rastrear os eventos em cada uma das maneiras nas quais o Higgs pode decair e procurar por excessos inesperados nesses eventos. Mal comparando, é como lançar um dado milhares de vezes para saber se ele está viciado.

A experiência CMS estudou cinco canais de decaimento dos quais dois, onde o decaimento é em um par de fótons ou de partículas conhecidas como Bósons Z, são os mais importantes, porque permitem uma medição precisa da massa do Higgs. A significância combinada do sinal em todos os cinco foi de 4,9 sigma.

A experiência ATLAS estudou dois canais principais onde a partícula tipo-Higgs decai em dois fótons ou quatro léptons, uma categoria de partículas como elétrons e múons. Ela encontrou uma assinatura no entorno de 125 GeV com uma significância de 5 sigma, combinando os dados dos dois tipos de evento.

“É muita gentileza do Bóson de Higgs do Modelo Padrão ter uma massa nesse nível”, declarou a porta-voz do ATLAS Fabiola  Gianotti, porque o LHC é bem adequado para o estudo de partículas nessa faixa de massa. “Então, obrigado, natureza”, acrescentou ela.

Esses resultados se seguem a dados anteriores do LHC e do anúncio feito na segunda-feira pelo Fermilab em Illinois dos indícios, extraídos do menos potente e agora aposentado acelerador Tevatron, para a mesma partícula em um nível de 3 sigma.

O mecanismo de Higgs responde a pergunta fundamental: por que a maior parte das partículas elementares têm massa? Sem o Higgs, tudo, de estrelas a átomos, não existiria. Ele era a peça que faltava no Modelo Padrão. Partículas elementares, tais como elétrons e quarks, interagem com o Campo de Higgs e essa interação cria suas massas.

Os resultados de hoje representam “uma conquista maravilhosa, a pedra angular de 400 anos de esforços para explicar o que observamos no universo”, declarou Gordon Kane, um físico teórico da Universidade de Michigan que não trabalhou nos experimentos. Segundo ele, os dados sugerem uma partícula que é notavelmente semelhante ao Bóson de Higgs previsto pelo Modelo Padrão. O tempo dira – ainda segundo ele – se as pequenas discrepâncias que ainda existem entre os dados e as previsões do Modelo Padrão são erros experimentais ou se elas apontam para uma nova física além do Modelo Padrão. Caso confirmadas, até as pequenas discrepâncias do Modelo Padrão podem abrir o caminho para uma nova física e podem ser consistentes com as predições de extensões maiores do Modelo Padrão, tais como a Teoria das Cordas.

Esta última fatia representa apenas um terço dos dados que se espera obter do ATLAS em 2012. Os atuais resultados devem ser publicados no fim de julho. “Ainda há mais por vir…Por favor, especialmente os teóricos, sejam pacientes. Ainda há um longo caminho a percorrer”, admoestou de brincadeira o porta-voz do ATLAS Gianotti.

Os resultados vieram com as últimas séries de experimentos que terminaram cerca de duas semanas atrás. Os anúncios foram recebidos com ovações de pé e um número surpreendentemente pequeno de perguntas ao fim das apresentações científicas.

Um número maior de perguntas veio dos repórteres leigos em uma conferência de imprensa após o seminário. Um repórter perguntou se os resultados teriam qualquer relevância para ele, já que ele era feito de partículas elementares.

“Eu acho que é muito relevante para você”, disse Heuer, o Diretor-Geral do CERN, “porque se isso [o Campo de Higgs] não existisse, você não existiria”.


Virat Markandeya é um escritor contribuinte do Inside Science News Service.

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Discussão - 7 comentários

  1. Fernando disse:

    Valeu, João! Já li a sua nova publicação e, apesar de achar que preciso me aprofundar em outros assuntos pra ter uma compreensão realmente satisfatória, consegui algum avanço nesse assunto. Obrigado.

  2. João Carlos disse:

    Pois é Fernando. Os Bósons de Higgs são criados a partir da interação de uma partícula – até então sem massa – com o Campo de Higgs. O problema é que a gente tenta visualizar a coisa em termos sequenciais, mas acontece tudo ao mesmo tempo. Uma quantidade de energia é liberada por um evento, essa energia “cria” uma partícula que, por causa do Campo de Higgs, adquire massa. Em outras palavras, parte da energia liberada pela interação inicial é “colapsada” em massa por causa do Campo de Higgs. Para que você possa “flagrar” um Bóson de Higgs “isolado” (na verdade o que se observa é o decaimento das partículas criadas pelo decaimento de um Higgs), a energia tem que ser de enorme a gigantesca… Exatamente a quantidade de energia gerada em uma colisão próton-próton no LHC (e, mesmo assim, apenas alguns eventos entre bilhões)

  3. Fernando disse:

    Ah, tá. Tudo bem, cara. Obrigado pela resposta!

  4. Fernando disse:

    Ahhh! Os Bósons são produzidos, não é? Não estão por aí, ‘dando bobeira’. Certo? Haha. Então o meu palpite de que eles ‘se quebram’ é furado. Só que ainda não sei como eles conferem massa às outras partículas. hahaha

    Desculpa os spams, João.

  5. João Carlos disse:

    Eu prometo que volto ao tema com mais calma. E aproveito para lembrar que eu sou apenas o tradutor; o texto foi divulgado pelo ISNS, o serviço noticioso da Associação Americana de Física.

  6. Fernando disse:

    Melhor: como funciona o decaimento que você citou?

  7. Fernando disse:

    Cara, muito bom o texto, parabéns! Só que tenho algumas dúvidas. E a que mais me incomoda é a de não ter entendido direito o mecanismo pelo qual os Bósons conferem massa às demais partículas.

    O Bóson se ‘quebra’, quando atingido efetivamente, e assim cede essa massa?

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