O bóson de Higgs completa 10 anos. Por que essa partícula pode desbloquear uma nova física

Há dez anos, cientistas anunciaram a descoberta do bóson de Higgs, o que ajuda a explicar por que as partículas elementares (os menores blocos de construção da natureza) têm massa. Para os físicos de partículas, este foi o fim de uma jornada de décadas e extremamente difícil – e sem dúvida o resultado mais importante na história do campo. Mas esse fim também marcou o início de uma nova generation da física experimental.

Na última década, medições das propriedades do bóson de Higgs confirmaram as previsões do modelo padrão de física de partículas (nossa melhor teoria para partículas). Mas também levantou questões sobre as limitações desse modelo, como se existe uma teoria mais basic da natureza.

Físico Peter Higgs previram o bóson de Higgs em uma série de artigos entre 1964 e 1966, como uma consequência inevitável do mecanismo responsável por dar massa às partículas elementares. Esta teoria sugere que as massas das partículas são uma consequência de partículas elementares interagindo com um campo, apelidado de campo de Higgs. E de acordo com o mesmo modelo, tal campo também deveria dar origem a uma partícula de Higgs – o que significa que se o bóson de Higgs não estivesse lá, isso acabaria por falsificar toda a teoria.

Mas emblem ficou claro que descobrir essa partícula seria um desafio. Quando três físicos teóricos calcularam as propriedades de um bóson de Higgs, eles concluíram com um pedido de desculpas. “Pedimos desculpas aos experimentalistas por não ter ideia de qual é a massa do bóson de Higgs… e por não ter certeza de seus acoplamentos com outras partículas… Por essas razões, não queremos encorajar grandes pesquisas experimentais para o bóson de Higgs.”

Demorou até 1989 para o primeiro experimento com uma probability séria de descobrir o bóson de Higgs para começar sua busca. A ideia generation esmagar partículas com uma energia tão alta que uma partícula de Higgs pudesse ser criada em um túnel de 27 km de comprimento no Cern, em Genebra, na Suíça – o maior colisor elétron-pósitron (um pósitron é quase idêntico a um elétron, mas tem carga oposta). já construído. Ele funcionou por 11 anos, mas sua energia máxima acabou sendo apenas 5% baixa demais para produzir o bóson de Higgs.

Enquanto isso, o colisor americano mais ambicioso da história, o Tevatron, começou a coletar dados no Fermilab, perto de Chicago. O Tevatron colidiu prótons (que, junto com os nêutrons, formam o núcleo atômico) e antiprótons (quase idênticos aos prótons, mas com carga oposta) com uma energia cinco vezes maior do que a alcançada em Genebra – certamente, suficiente para fazer o Higgs. Mas as colisões próton-antipróton produzem muitos detritos, tornando muito mais difícil extrair o sinal dos dados. Em 2011, o Tevatron cessou as operações – o bóson de Higgs escapou da detecção novamente.

Em 2010, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) começou a colidir prótons com sete vezes mais energia do que o Tevatron. Finalmente, em 4 de julho de 2012, dois experimentos independentes no Cern coletaram dados suficientes para declarar a descoberta do bóson de Higgs. No ano seguinte, Higgs e seu colaborador François Englert ganhou o prêmio Nobel “pela descoberta teórica de um mecanismo que contribui para a nossa compreensão da origem da massa das partículas subatômicas”.

Isso quase vende curto. Sem o bóson de Higgs, todo o arcabouço teórico que descreve a física de partículas em suas menores escalas se desfaz. As partículas elementares não teriam massa, não haveria átomos, nem humanos, nem sistemas solares, nem estrutura no universo.

Problemas no horizonte

No entanto, a descoberta levantou questões novas e fundamentais. Experimentos no Cern continuaram a investigar o bóson de Higgs. Suas propriedades não apenas determinam as massas das partículas elementares, mas também quão estáveis ​​elas são. Do jeito que está, os resultados indicam que nosso universo não está em um estado perfeitamente estável. Em vez disso, semelhante ao gelo no ponto de fusão, o universo poderia repentinamente passar por uma rápida “transição de fase”. Mas, em vez de passar de um sólido para um líquido, como o gelo em transição para a água, isso envolveria uma mudança an important nas massas – e nas leis da natureza no universo.

O fato de o universo parecer estável sugere que algo pode estar faltando nos cálculos – algo que ainda não descobrimos.

Após um hiato de três anos para manutenção e atualizações, as colisões no LHC estão prestes a recomeçar com uma energia sem precedentes, quase o dobro da usada para detectar o bóson de Higgs. Isso pode ajudar a encontrar partículas ausentes que movem nosso universo para longe do aparente fio de navalha entre ser estável e passar rapidamente por uma transição de fase.

O experimento também pode ajudar a responder a outras perguntas. As propriedades únicas do bóson de Higgs poderiam torná-lo um portal para a descoberta da matéria escura, a substância invisível que compõe a maior parte da matéria do universo? A matéria escura não é carregada. E o bóson de Higgs tem uma forma única de interagir com matéria descarregada.

As mesmas propriedades únicas fizeram os físicos questionarem se o bóson de Higgs pode não ser uma partícula basic, afinal. Poderia haver uma força nova e desconhecida além das outras forças da natureza – gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares fraca e distinctiveness? Talvez uma força que une partículas até agora desconhecidas em um objeto composto que chamamos de bóson de Higgs?

Tais teorias podem ajudar a resolver o controverso resultados de medições recentes o que sugere que algumas partículas não se comportam exatamente da maneira que o modelo padrão sugere que deveriam. Portanto, estudar o bóson de Higgs é important para descobrir se há física a ser descoberta além do modelo padrão.

Eventualmente, o LHC terá o mesmo problema que o Tevatron. As colisões de prótons são confusas e a energia de suas colisões só chegará até certo ponto. Embora tenhamos todo o arsenal da física de partículas moderna – incluindo detectores sofisticados, métodos avançados de detecção e aprendizado de máquina – à nossa disposição, há um limite para o que o LHC pode alcançar.

Um futuro colisor de alta energia, projetado especificamente para produzir bósons de Higgs, nos permitiria medir com precisão suas propriedades mais importantes, incluindo como o bóson de Higgs interage com outros bósons de Higgs. Isso, por sua vez, determinaria como o bóson de Higgs interage com seu próprio campo. Estudar essa interação pode, portanto, nos ajudar a investigar o processo subjacente que dá às partículas as massas. Qualquer desacordo entre a previsão teórica e uma medição futura seria um sinal claro que precisamos inventar uma física totalmente nova.

Essas medições terão um impacto profundo que vai muito além da física do colisor, orientando ou restringindo nossa compreensão da origem da matéria escura, o nascimento do nosso universo – e, talvez, seu destino ultimate.

Este artigo de Martin BauerProfessor Associado de Física, Universidade de Durhame Stephen JonesProfessor Adjunto de Física, Universidade de Durham é republicado de A conversa sob uma licença Ingenious Commons. Leia o artigo unique.