Interação do bóson de Higgs com múons é detectada pela primeira vez

Com informações da Agência Fapesp - 04/08/2020

Imagem real de um evento registrado pelo detector CMS do LHC. As duas linhas vermelhas correspondem ao par de múons formados pelo decaimento do bóson de Higgs
[Imagem: CERN/divulgação]

Bósons e múons

A primeira medida da interação do bóson de Higgs com o múon foi anunciada nesta segunda-feira, 3 de agosto, pela organização que controla o LHC (Grande Colisor de Hádrons).

Isso é importante porque abre caminho para o estudo de como o campo de Higgs - responsável por "dar materialidade à matéria", ou seja, dar-lhe massa - com as partículas mais leves que compõem o chamado Modelo Padrão da Física.

O múon é uma partícula semelhante ao elétron, com carga elétrica -1 e spin 1/2. Sua massa, embora muitas vezes superior à do elétron, é bem menor do que as massas das partículas com as quais o Higgs já havia interagido nos experimentos anteriores realizados no LHC.

O resultado, considerado um dos mais importantes obtidos desde a descoberta experimental do próprio bóson de Higgs em 2012, foi alcançado pela equipe internacional do CMS (Compact Muon Solenoid), um dos detectores do LHC.

"O evento físico foi registrado em 2018, mas teve que passar por análises extremamente trabalhosas antes de ser reconhecido de maneira inequívoca. O fato de o CMS ter obtido essa medida complexa é mais uma demonstração do alcance do detector para explorar os detalhes do mecanismo de Higgs", diz à Agência FAPESP o físico Sérgio Novaes, professor titular da Universidade Estadual Paulista (Unesp) e líder do SPRACE, um grupo de pesquisa atuante no LHC, apoiado pela FAPESP.

"Depois da descoberta do bóson de Higgs, as colaborações internacionais do CERN confirmaram experimentalmente as predições do Modelo Padrão quanto ao acoplamento dele com todas as partículas pesadas. Essa comparação foi estendida agora ao múon, um resultado bem mais difícil de alcançar," explicou Sérgio Novaes, professor Unesp e líder do SPRACE, um grupo de pesquisa que colabora com o LHC.

• O que é bóson? E quem é Higgs?

Faltava a interação do Higgs com as partículas mais leves.
[Imagem: CERN/divulgação]

O campo da massa

Segundo o Modelo Padrão, é o campo de Higgs que fornece massa a todas as partículas conhecidas. O bóson de Higgs é o quantum, ou quantidade mínima de energia, desse campo.

No contexto experimental, o bóson de Higgs é obtido por meio da energia gerada em colisões de prótons. Como sua massa é muito grande, ele é instável e decai rapidamente em outras partículas mais leves. Por meio dos diferentes canais de decaimento, é possível calcular as forças de interação entre o campo de Higgs e as partículas resultantes.

E comparar os resultados com as previsões do Modelo Padrão permite testar a teoria e lança luz sobre o processo pelo qual as partículas fundamentais adquirem massa.

"O Higgs acopla-se a todas as partículas fundamentais com uma intensidade proporcional à massa dessas partículas. Assim, a interação é mais forte, e por isso mais fácil de medir, quando as partículas são bastante pesadas. É o caso dos bósons W e Z, intermediários da interação fraca, e dos férmions quarks top e bottom e lépton tau - sendo todos estes férmions partículas de terceira geração, cujo acoplamento com o Higgs já havia sido detectado anteriormente. O múon é um lépton de segunda geração, muito mais leve do que as partículas mencionadas. A detecção de seu acoplamento com o Higgs foi uma grande façanha científica," explicou Novaes.

A chance de um bóson de Higgs decair em múons é de uma em cinco mil, aproximadamente. Além disso, quando o decaimento realmente acontece, o par de múons resultante fica "escondido" no meio de mil outros pares de múons, gerados pelo decaimento de outras partículas envolvidas no processo. É preciso isolar e identificar cada um desses pares, para saber se corresponde ou não ao resultado esperado.

"O acoplamento com o múon era considerado a próxima fronteira a ser explorada para o entendimento da interação do bóson de Higgs com as partículas mais leves. Essa fronteira foi agora transposta," comemorou Novaes.

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