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Uma palestra estava agendada para o dia 24 de novembro de 2010 no King’s College de Londres, mas o palestrante não pôde comparecer por motivos de saúde. No entanto, ele gravou sua apresentação em Edimburgo, capital da Escócia, onde reside. No vídeo víamos um senhor de 81 anos discorrer sobre o estranho título: “Minha vida como um bóson”.1 Peter Higgs, professor emérito da Universidade de Edimburgo, faz jus ao tema de sua palestra.
Como já escrevemos, muitas teorias físicas são baseadas em noções de simetria, que podem ser incorporadas matematicamente nos modelos desenvolvidos pelos físicos teóricos. Entretanto, algumas dessas simetrias são apenas aproximações, ou seja, a natureza “respeita” essas simetrias apenas grosso modo. Havia então a necessidade de construir teorias nas quais simetrias deixassem de ser exatas, ou, como dizemos no jargão, elas deveriam ser quebradas ou violadas.
Esse era um tema de pesquisa importante na década de 1960, com vários físicos de renome trabalhando na área. Como às vezes acontece na véspera de uma grande descoberta, havia um estado de confusão teórica sobre como introduzir um mecanismo de quebra de simetria que pudesse ser realizado na natureza sem contradição com as observações experimentais. O problema mais sério era que os modelos propostos para gerar a quebra de simetria previam também uma nova partícula, um bóson sem massa, denominado “bóson de Nambu-Goldstone”. Ele foi previsto em teorias propostas em 1960 pelos físicos Yoichiro Nambu e Jeffrey Goldstone. Por não se enquadrar entre as partículas conhecidas na época, sua presença era um obstáculo ao sucesso da teoria.*** Em 1964, Higgs escreveu dois pequenos artigos, de menos de duas páginas cada, mostrando uma solução para o problema. No primeiro, elaborado em julho, mostrou como contornar a questão.2 Em suas palavras, conseguiu “exorcizar”, da teoria, o bóson sem massa de Nambu-Goldstone. O segundo artigo provia um exemplo simples e concreto de uma teoria em que a quebra de simetria ocorre de maneira satisfatória.3 Houve dois outros trabalhos desenvolvidos independentemente no mesmo período, com ideias semelhantes,4 mas apenas o segundo artigo de Higgs menciona explicitamente que essas teorias preveem a existência de novos bósons com massa, diferentes do bóson de Nambu- Goldstone. O exemplo utilizado por Higgs era o mais simples possível e posteriormente foi generalizado de várias maneiras por diversos pesquisadores. Entretanto, o mecanismo de quebra de simetria descrito por Higgs e outros em 1964 ficou conhecido, talvez injustamente, como mecanismo de Higgs, e o bóson com massa resultante desse mecanismo acabou sendo chamado de “bóson de Higgs”.

O MECANISMO DE HIGGS
O mecanismo de Higgs foi desenvolvido para estudar sistemas nos quais ocorre uma quebra de simetria. O conceito de simetria já foi discutido, mas precisamos detalhar como sua quebra pode acontecer.
Imagine o fundo de uma garrafa de vinho ou um chapéu tipo sombreiro mexicano, onde há uma elevação central (um montinho no centro) cercada por uma região mais baixa, como uma montanha cercada por um vale circular. Em ambos os casos, existe uma simetria esférica, ou seja, ao girarmos tanto o fundo da garrafa quanto o chapéu não percebemos nenhuma diferença (isso na situação idealizada de não haver defeitos na garrafa e no chapéu). Agora vamos colocar uma pequena bolinha no topo da elevação central. O sistema continuará com simetria esférica se a bolinha permanecer no topo. No entanto, essa situação é instável: qualquer pequena perturbação fará com que a bolinha caia do topo para a região mais baixa, no “vale” abaixo da montanha. Quando isso acontece, a simetria esférica deixa de existir, pois podemos distinguir a posição da bolinha no vale quando giramos o sistema. Dizemos que a simetria foi quebrada.
Existem dois tipos de movimentos da bolinha no fundo do vale, que correspondem a dois tipos diferentes de partículas elementares. Ela pode ser facilmente deslocada ao longo do vale, que é plano. Essa facilidade ou ausência de resistência representa a existência do bóson de Nambu-Goldstone. Agora, para mover a bolinha na direção tangencial ao vale, ou seja, na direção da montanha, uma energia deve ser gasta para fazer com que ela suba novamente a encosta. Essa energia pode ser interpretada como uma massa. Portanto, esse movimento descreve outra partícula, dessa vez com massa — o bóson de Higgs.*** A maneira de eliminar o bóson de Nambu-Goldstone encontrada por Higgs foi introduzir no modelo um ingrediente adicional. Esse ingrediente é algo bastante familiar: o fóton. Como já vimos, o fóton é uma partícula sem massa, responsável pela força eletromagnética. Essa força tem, em princípio, alcance infinito, mas sempre diminuindo de intensidade com o aumento da distância entre duas cargas. E isso está relacionado ao fato de o fóton ter massa nula. Caso ele tivesse massa, a intensidade da força diminuiria muito mais rapidamente, de maneira exponencial. Higgs mostrou que, ao introduzir o fóton em sua teoria, este “engoliria” o bóson de Nambu-Goldstone e com isso ganharia massa não nula. Sabemos que os fótons não têm massa, mas Higgs estava apenas exemplificando um mecanismo em que o bóson de Nambu-Goldstone poderia desaparecer da teoria, devorado por um fóton.
O mecanismo de Higgs foi incorporado ao Modelo Padrão, desenvolvido independentemente pelo físico norte-americano Steven Weinberg e pelo físico paquistanês Abdus Salam em 1967, baseados em ideias anteriores do físico estadunidense Sheldon Glashow. No Modelo Padrão, existe uma simetria entre fótons e as partículas responsáveis pela força fraca, que possui alcance muito pequeno, os bósons W e Z. Esses bósons ganham massa exatamente através do mecanismo de Higgs, ou seja, engolindo os bósons de Nambu-Goldstone resultantes de uma quebra de simetria. O fóton, sendo uma partícula sem massa, não participa da comilança.
Glashow, Weinberg e Salam dividiram o prêmio Nobel de 1979. No Modelo Padrão, o mecanismo de Higgs é essencial para gerar massas para todas as partículas elementares, incluindo os férmions, como os elétrons. Antes de encerrar o tema, devo evitar injustiças mencionando que os bósons de Nambu-Goldstone nem sempre são um problema. Em algumas teorias eles são muito úteis. Caso a simetria a ser quebrada não seja exata inicialmente, os bósons de Nambu-Goldstone podem possuir uma pequena massa. Nesse caso, são chamados de pseudobósons de Nambu-Goldstone. Eles descrevem de maneira satisfatória, por exemplo, os píons, partículas compostas de um par quark-antiquark, como vimos. Existem também modelos recentes nos quais o bóson de Higgs não seria uma partícula elementar, e sim composta de algo que ainda não conhecemos. Nesses modelos, o bóson de Higgs é descrito como um pseudobóson de Nambu- Goldstone.5 Seria uma grande ironia se esses modelos fossem corretos, pois o grande objetivo de Higgs era eliminar essas partículas da teoria.

A ORIGEM DA MASSA DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES
A origem da massa das partículas pode ser mais bem explicada através de uma simples analogia, mas desde já alerto o leitor de que analogias são sempre limitadas e imperfeitas, e esta não é exceção.
Imagine que sejamos seres aquáticos confinados em um mundo totalmente submerso em água. Certamente teríamos dificuldade em mover objetos, devido à presença da água. Lembre que a massa de um corpo está relacionada com sua inércia, ou seja, com a dificuldade de colocá-lo em movimento. Portanto, a “massa” que medimos de corpos é maior do que sua massa real, caso não houvesse água. Se nosso mundo imaginário fosse totalmente submerso em mel, a “massa” medida seria ainda maior, pois o mel é muito mais viscoso.
O Modelo Padrão pressupõe que estejamos imersos em um meio absolutamente homogêneo, denominado “campo de Higgs”.
As partículas elementares ganham massa ao se mover nesse meio. Suas massas seriam decorrentes das interações com o campo de Higgs. Nesse modelo, partículas que interagem de maneira distinta nesse campo possuem diferentes massas. Quanto mais intensa sua interação com o campo de Higgs, maior é a “viscosidade” do meio e, portanto, maior é sua massa.
Teorias, porém, precisam ser testadas experimentalmente. Na analogia com o mundo subaquático, um modo de comprovar a existência da água seria fazer uma onda, por exemplo, atirando uma pedra na superfície. Isso exigiria certo esforço, muito maior se o ambiente fosse de mel. No caso do campo de Higgs, temos de fazer algo parecido, ou seja, dar uma “balançada” no campo para gerar uma onda. No jargão, dizemos “perturbar o campo de Higgs”. Essa onda no campo de Higgs é representada por uma nova partícula, o bóson de Higgs. Contudo, não é nada fácil balançar esse campo. É necessária uma imensa concentração de energia em uma região minúscula, quase um ponto. Esse feito pode ser realizado com a ajuda dos aceleradores de partículas. As colisões de partículas — prótons, no caso do LHC — podem balançar o campo de Higgs e produzir o bóson de Higgs.
Esse bóson de Higgs era a única peça que faltava para comprovar o Modelo Padrão. Sua procura era a prioridade máxima dos mais recentes experimentos em aceleradores de partículas. A importância de descobri-lo foi exposta de maneira brilhante no livro de divulgação escrito por Lederman em 1993, intitulado The God Particle: If the Universe is the Answer What is the Question? [A partícula-Deus: se o universo é a resposta, qual é a pergunta?].6 Argumentando que o bóson de Higgs é tão crucial para o entendimento do cerne da matéria e, ao mesmo tempo, tão difícil de ser detectado, Lederman decide apelidá-lo de partícula-Deus (e não “partícula de Deus”, como comumente se diz). Infelizmente essa brincadeira de Lederman levou às mais descabidas afirmações teológicas sobre o bóson de Higgs. No próprio livro ele escreve que preferia o apelido “the goddamn particle”, o que se traduz como “partícula maldita”, mas o editor vetou esse título. Em minha opinião, o livro de Lederman foi uma tentativa desesperada de chamar a atenção do público dos Estados Unidos para a importância dessa busca, pois um projeto de construção de um enorme acelerador no Texas estava sendo questionado pelo Congresso. Infelizmente, o livro chegou tarde demais: como descreverei mais adiante, o projeto do Superconducting SuperCollider foi cancelado logo após seu lançamento.
O Modelo Padrão não prevê qual é a massa do bóson de Higgs, tornando sua busca ainda mais difícil. De fato, essa massa é o único parâmetro livre ainda indeterminado do modelo. Uma vez medida, ela determina de maneira unívoca todas as propriedades do bóson de Higgs, como as várias maneiras pelas quais ele pode se desintegrar. Essas propriedades são essenciais para estabelecer uma estratégia de busca em experimentos.
A busca experimental pelo bóson de Higgs começou em 1975, pois levou algum tempo até que a comunidade científica assumisse com seriedade a possibilidade de que o Modelo Padrão descrevesse realmente a natureza. Isso aconteceu após a demonstração, no início dos anos 1970, de que cálculos precisos podem ser realizados em nível quântico com o uso do Modelo Padrão. Os físicos teóricos holandeses Martinus Veltman e Gerardus ‘t Hooft, que desenvolveram os métodos para a realização desses cálculos, receberam o prêmio Nobel de 1999 pela “elucidação da estrutura quântica das interações eletrofracas”. A importância da busca do bóson de Higgs cresceu rapidamente e já em 1990, no livro intitulado Higgs Hunter’s Guide [Guia de caça ao Higgs], lê-se: “O sucesso do Modelo Padrão tem sido espantoso. O problema central em física de partículas hoje é entender o campo de Higgs”.7 O desenvolvimento de novos aceleradores, a confirmação experimental do Modelo Padrão e a busca do bóson de Higgs serão os temas abordados a seguir.


(Rogério Rosenfeld - O Cerne da Matéria)
partícula de Deus ou de Higgs
 
NOTAS
1. O vídeo, com transcrição em inglês, está disponível em: . Acesso em: 25 jul. 2013.
2. P. W. Higgs. “Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields”. Physics Letters B, v. 12, n. 2, pp. 132-3, 15 set. 1964.
3. Id. “Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons”. Physical Review Letters, v. 13, n. 16, pp. 508-9, 19 out. 1964.
4. F. Englert; R. Brout. “Brokon Symmetry and the Mars of Gauge Vector Mesons”. Physical Review Letters, v. 13, n. 9, p. 321, 31 ago. 1964; G. S. Guralnik; C. R. Hagen; W. B. Kibble. “Global Conservation Laws and Massless Particles” Physical Review Letters, v. 13, n. 20, p. 585, 16 nov. 1964.
5. Veja, por exemplo, . Acesso em: 25 jul. 2013.
6. L. Lederman; D. Teresi. The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? Nova York: Dell Publishing, 1993.
7. J. F. Gunion; H. Haber; G. Kane; S. Dawson. The Higgs Hunter’s Guide. Basic Books, 1990.

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publicado às 14:56


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