Entenda como os físicos procuram o Bóson de Higgs

Com informações do Berkeley Lab e Nature - 03/07/2012

Simulação do canal de dois fótons, um dos dois maiores candidatos para ter sido percorrido pela partícula que pode ser - mas pode não ser - o Bóson de Higgs.
[Imagem: CERN]

Pode não ser o Bóson de Higgs?

Na madrugada desta quarta-feira, 04h00 no horário de Brasília, o CERN, a organização por trás do maior colisor de partículas do mundo, o LHC, anunciará seus tão esperados resultados sobre o tão esperado Bóson de Higgs.

Os dados foram coletados pelos dois maiores detectores do LHC, o (A Toroidal LHC Apparatus) e o CMS (Compact Muon Solenoid).

Tudo indica que serão anunciados "fortes indícios" da existência da Partícula de Deus.

• Veja aqui o anúncio oficial do CERN

Contudo, qualquer que seja o sigma alcançado pelos resultados - é necessário superar 5 para ser considerado uma descoberta - tudo o que os físicos poderão dizer será: "Há algo lá."

Mas será mesmo o Bóson de Higgs? Pode ser. E pode não ser.

Mas por que, com tanto alvoroço, e depois de tantas pesquisas, eles não conseguirão ter certeza?

Para entender isso, é necessário ter ao menos uma vaga ideia do que seja o Bóson de Higgs, a Partícula de Deus, e como os físicos tentam encontrá-la.

Por que as partículas têm massa?

Um bóson de Higgs é uma excitação, uma ressonância - uma representação fugaz, elusiva - do campo de Higgs, que se acredita estender por todo o espaço e dar massa a todas as outras partículas.

No instante do Big Bang, era tudo uma coisa só, um estado de simetria, que durou praticamente tempo nenhum, tendo sido imediatamente quebrada.

Partículas de matéria, chamadas férmions, emergiram desse mar de energia (massa e energia sendo intercambiáveis), incluindo os quarks e os elétrons, que iriam, muito mais tarde, formar os átomos.

Juntamente com eles vieram partículas carreadoras de força, chamadas bósons, que iriam ditar as inter-relações entre todas as partículas. Todos os bósons tinham massas diferentes - em alguns casos, massas muito diferentes.

Usando os conceitos de campo de Higgs e Bóson de Higgs, o Modelo Padrão da Física explica porque os quarks, prótons, elétrons, fótons, e um enorme zoológico de outras partículas têm as massas específicas que eles apresentam hoje.

Como reconhecer o Bóson de Higgs

Estranhamente, no entanto, o Modelo Padrão não consegue prever a massa do próprio Bóson de Higgs - isso só pode ser feito experimentalmente.

E é isso que os cientistas do LHC e do finado colisor Tevatron, nos Estados Unidos, estão tentando fazer.

O problema é que está muito longe de ser simples saber quando o Bóson de Higgs terá sido realmente encontrado.

Qualquer partícula que contenha tanta energia quanto o Bóson de Higgs dura apenas uma fração minúscula de um segundo, antes de se desfazer em outras partículas - um processo chamado decaimento -, cada uma com energia menor.

E mesmo estas resultantes decaem em partículas com energia ainda menor, até finalmente deixarem um rastro que os detectores ATLAS ou CMS conseguem enxergar - ou inferir.

Esquema do detector interno do experimento ATLAS.
[Imagem: CERN]

Canais de decaimento

De acordo com o Modelo Padrão, o Bóson de Higgs pode decair em pelo meia dúzia de diferentes padrões de trilhas, ou canais.

A probabilidade de cada caminho varia.

Por exemplo, há uma baixa probabilidade de que um Bóson de Higgs com massa equivalente a 100 bilhões de elétron-volts (100 GeV) de energia vá decair em um par de bósons W, portadores da interação fraca.

No entanto, se sua massa for de 170 GeV, a probabilidade de seu decaimento por este canal seria muito elevada.

Mas as medições anteriores, incluindo as feitas no ano passado pelo LHC, e as anunciadas ontem pelo Tevatron, já excluíram muitas massas possíveis para um Bóson de Higgs dentro do Modelo Padrão.

Com base nisso, espera-se detectar algum sinal por volta de 125 ou 126 GeV.

Esses dois canais envolvidos, chamados de canal de dois fótons e canal de quatro léptons, certamente não são as rotas de decaimento mais prováveis.

Segundo Beate Heinemann, dos Laboratórios Berkeley, "a probabilidade que um Bóson de Higgs de 125 GeV decaia em dois raios gama é de cerca de dois décimos de um por cento, e a probabilidade de que ele decaia em quatro múons ou elétrons é ainda menor."

Ou seja, os físicos encontraram um sinal em um lugar muito improvável.

Encontrar a música no ruído

A chave de tudo - de todas as interpretações das todas as medições de todos os canais dos detectores ATLAS e CMS - é o ruído de fundo.

Mesmo que os canais de dois fótons e quatro léptons tenham uma probabilidade baixa, eles são relativamente livre de ruídos, sinais produzidos por detritos de outras partículas que obscurecem as evidências em outros canais.

As rotas mais prováveis para o decaimento de um Bóson de Higgs com massa próxima a 125 GeV seria o de um quark bottom e um antiquark bottom, ou um par de bósons W, ou um par de partículas tau - mas todos eles são muito mais difíceis de detectar.

"Pacotes de prótons cruzam na frente uns dos outros 20 milhões de vezes por segundo dentro do detector ATLAS, com uma média de 20 colisões em cada cruzamento," explicou Heinemann.

Filtros eletrônicos selecionam automaticamente os eventos, reduzindo-os para cerca de 100.000 por segundo, apontados como de possível interesse.

Softwares sofisticados reduzem ainda mais a seleção, para algumas centenas de eventos por segundo, que são então gravados e armazenadas para estudos posteriores.

Vários físicos criticam essas técnicas, dizendo que o LHC está jogando fora dados demais, que poderiam conter alguma coisa interessante.

"Nós tentamos manter tudo o que alguém poderia pensar que poderia ser interessante," defende Heinemann.

Ou seja, o problema não é só saber o que, mas também onde procurar - ainda que isso lembre a lenda na qual o herói perdeu a agulha dentro de casa, mas resolveu procurá-la lá fora por estar mais claro.

Há algo lá

É com base nessa seleção, de dois canais de baixa probabilidade, mas mais fáceis de entender, que os cientistas tiraram suas conclusões que serão anunciadas na madrugada desta quarta-feira.

Analistas consideram difícil que o fator sigma 5, necessário para estabelecer uma descoberta, tenha sido superado.

Mas ainda que seja, o que eles terão realmente observado, será o Bóson de Higgs?

Difícil responder, mas virtualmente impossível de responder com certeza.

A revista Nature publicou ontem uma reportagem cujo título é: "Físicos encontram nova partícula, mas será o Higgs?"

"Ok, há algo lá - uma ressonância," disse Martinus Veltman, da Universidade de Michigan, ganhador do Prêmio Nobel de Física em 1999. "Agora nós teremos que descobrir se ela tem todas as propriedades que se supõe que o Bóson de Higgs tenha."

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