Nota do editor: Em 8 de outubro de 2013, Peter Higgs e François Englert ganharam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho no bóson de Higgs. Abaixo, nosso colunista de ciências Brian Greene explica a ciência por trás da descoberta.
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O detector ATLAS, um dos dois experimentos para detectar o indescritível bóson de Higgs em esmagamentos de partículas no Grande Colisor de Hádrons do CERN, pesa até uma centena de 747 jatos e abriga mais de 1.800 milhas de cabo. (Claudia Marcelloni / CERN) 
O Solenoide Compact Muon no Large Hadron Collider captura partículas no ato. (Michael Hoch / CERN) 
De volta à prancheta: o físico Peter Higgs rabisca sua famosa equação descrevendo a fonte da massa de uma partícula. Levaria meio século para ser verdade. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
A equipe trabalha com o detector ATLAS, um dos dois experimentos para identificar o indescritível bóson de Higgs em quebra de partículas. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Antes da instalação, partes do detector CMS residiam em uma sala de limpeza no CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch e Joseph Gobin / CERN) 
O imã no detector CMS produz um campo magnético 100.000 vezes mais forte que o da Terra. (Gobin / CERN) 
Um close-up do detector CMS - um dos dois experimentos para detectar assinaturas do bóson de Higgs. (Gobin / CERN) 
Embora o bóson de Higgs apareça muito brevemente para ser detectado diretamente, os físicos da CMS podem inferir sua existência estudando os chuveiros de partículas deixadas para trás após colisões próton-próton. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
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Uma história famosa nos anais da física fala de Albert Einstein, de 5 anos, doente na cama, recebendo uma bússola de brinquedo de seu pai. O menino ficou perplexo e hipnotizado pelas forças invisíveis em ação, redirecionando a agulha da bússola para apontar para o norte sempre que sua posição de repouso fosse perturbada. Essa experiência, Einstein diria depois, convenceu-o de que havia uma ordem oculta profunda na natureza e o impeliu a passar sua vida tentando revelá-la.
Embora a história tenha mais de um século, o enigma que o jovem Einstein encontrou ressoa com um tema-chave da física contemporânea, essencial para a conquista experimental mais importante no campo dos últimos 50 anos: a descoberta, há um ano, em julho deste ano. do bóson de Higgs.
Deixe-me explicar.
A ciência em geral e a física em particular buscam padrões. Estique uma mola duas vezes mais longe e sinta o dobro da resistência. Um padrão. Aumente o volume que um objeto ocupa enquanto mantém sua massa fixa e quanto mais alto flutuar na água. Um padrão. Ao observar cuidadosamente os padrões, os pesquisadores descobrem leis físicas que podem ser expressas na linguagem de equações matemáticas.
Um padrão claro também é evidente no caso de uma bússola: mova-a e a agulha aponta para o norte novamente. Posso imaginar um jovem Einstein pensando que deve haver uma lei geral estipulando que as agulhas metálicas suspensas sejam empurradas para o norte. Mas essa lei não existe. Quando há um campo magnético em uma região, certos objetos metálicos experimentam uma força que os alinha ao longo da direção do campo, qualquer que seja essa direção. E o campo magnético da Terra aponta para o norte.
O exemplo é simples, mas a lição é profunda. Os padrões da natureza às vezes refletem duas características interligadas: leis físicas fundamentais e influências ambientais. É a versão da natureza da natureza versus criação. No caso de uma bússola, desembaraçar os dois não é difícil. Ao manipulá-lo com um imã, você conclui prontamente que a orientação do imã determina a direção da agulha. Mas pode haver outras situações em que as influências ambientais são tão difundidas, e além de nossa capacidade de manipular, seria muito mais difícil reconhecer sua influência.
Os físicos contam uma parábola sobre peixes investigando as leis da física, mas tão habituados ao seu mundo aquático que eles não consideram sua influência. Os peixes lutam poderosamente para explicar o suave balanço das plantas, bem como sua própria locomoção. As leis que eles acabam encontrando são complexas e difíceis de lidar. Então, um peixe brilhante tem um avanço. Talvez a complexidade reflita simples leis fundamentais que se apresentam em um ambiente complexo - cheio de um fluido viscoso, incompreensível e penetrante: o oceano. No início, o peixe perspicaz é ignorado, até mesmo ridicularizado. Mas aos poucos, os outros também percebem que seu ambiente, apesar de sua familiaridade, tem um impacto significativo em tudo que observam.
A parábola está mais próxima de casa do que poderíamos pensar? Poderia haver outros aspectos sutis, porém penetrantes, do ambiente que, até agora, falhamos em nos apropriar corretamente de nosso entendimento? A descoberta da partícula de Higgs pelo Grande Colisor de Hádrons, em Genebra, convenceu os físicos de que a resposta é um retumbante sim.
Há quase meio século, Peter Higgs e um punhado de outros físicos estavam tentando entender a origem de uma característica física básica: a massa. Você pode pensar na massa como o peso de um objeto ou, um pouco mais precisamente, como a resistência que ele oferece para ter seu movimento alterado. Empurre um trem de carga (ou uma pena) para aumentar sua velocidade, e a resistência que você sente reflete sua massa. Em um nível microscópico, a massa do trem de carga vem de suas moléculas e átomos constituintes, que são eles próprios construídos a partir de partículas fundamentais, elétrons e quarks. Mas de onde vêm as massas dessas e outras partículas fundamentais?
Quando os físicos da década de 1960 modelaram o comportamento dessas partículas usando equações enraizadas na física quântica, eles encontraram um quebra-cabeça. Se eles imaginassem que as partículas eram todas sem massa, então cada termo nas equações clicou em um padrão perfeitamente simétrico, como as pontas de um floco de neve perfeito. E essa simetria não era apenas matematicamente elegante. Ele explicou padrões evidentes nos dados experimentais. Mas - e aqui está o enigma - os físicos sabiam que as partículas tinham massa e, quando modificaram as equações para explicar esse fato, a harmonia matemática foi estragada. As equações tornaram-se complexas e incômodas e, pior ainda, inconsistentes.
O que fazer? Aqui está a ideia apresentada por Higgs. Não empurre as massas das partículas pela garganta das belas equações. Em vez disso, mantenha as equações intactas e simétricas, mas considere-as operando dentro de um ambiente peculiar. Imagine que todo o espaço é preenchido uniformemente com uma substância invisível - agora chamada de campo de Higgs - que exerce uma força de arrasto nas partículas quando acelera através dele. Empurre uma partícula fundamental em um esforço para aumentar sua velocidade e, de acordo com Higgs, você sentiria essa força de arrasto como uma resistência. Justificadamente, você interpretaria a resistência como a massa da partícula. Para um apoio mental, pense em uma bola de pingue-pongue submersa na água. Quando você empurra a bola de pingue-pongue, ela se sentirá muito mais massiva do que fora da água. Sua interação com o ambiente aquoso tem o efeito de dotá-lo de massa. Então, com partículas submersas no campo de Higgs.
Em 1964, Higgs submeteu um artigo a um importante periódico de física no qual ele formulou essa ideia matematicamente. O papel foi rejeitado. Não porque contivesse um erro técnico, mas porque a premissa de algo invisível permeando o espaço, interagindo com partículas para fornecer sua massa, tudo parecia apenas uma pilha de especulações exageradas. Os editores da revista consideraram "sem relevância óbvia para a física".
Mas Higgs perseverou (e seu artigo revisado apareceu mais tarde naquele ano em outro periódico), e os físicos que estudaram a proposta gradualmente perceberam que sua idéia era um golpe de gênio, que permitia que eles tomassem seu bolo e comessem também. . No esquema de Higgs, as equações fundamentais podem manter sua forma primitiva porque o trabalho sujo de fornecer as massas das partículas é relegado ao ambiente.
Embora eu não estivesse por perto para testemunhar a rejeição inicial da proposta de Higgs em 1964 (bem, eu estava por perto, mas apenas mal), posso atestar que, em meados da década de 1980, a avaliação havia mudado. A comunidade da física, em sua maior parte, acreditava plenamente na ideia de que havia um campo de Higgs permeando o espaço. De fato, em um curso de pós-graduação eu peguei o que é conhecido como o Modelo Padrão da Física de Partículas (as equações quânticas reunidas para descrever as partículas da matéria e as forças dominantes pelas quais elas se influenciam mutuamente), o professor apresentou o Higgs. campo com tanta certeza que por um longo tempo eu não tinha ideia de que ainda tinha que ser estabelecido experimentalmente. Na ocasião, isso acontece na física. Equações matemáticas podem às vezes contar uma história tão convincente, elas podem aparentemente irradiar a realidade tão fortemente, que elas se tornam entrincheiradas no vernáculo dos físicos que trabalham, mesmo antes de haver dados para confirmá-las.
Mas é apenas com dados que um link para a realidade pode ser forjado. Como podemos testar o campo de Higgs? É aqui que entra o Grande Colisor de Hádrons (LHC). Enrolando centenas de metros sob Genebra, na Suíça, cruzando a fronteira francesa e de volta, o LHC é um túnel circular de quase 27 quilômetros que serve como pista de corridas. esmagando partículas de matéria. O LHC é cercado por cerca de 9.000 ímãs supercondutores, e é o lar de streaming de hordas de prótons, circulando ao redor do túnel em ambas as direções, que os ímãs aceleram a um pouco da velocidade da luz. Em tais velocidades, os prótons passam pelo túnel cerca de 11.000 vezes por segundo e, quando dirigidos pelos ímãs, envolvem-se em milhões de colisões em um piscar de olhos. As colisões, por sua vez, produzem partículas de partículas semelhantes a fogos de artifício, que os detectores gigantescos capturam e registram.
Uma das principais motivações para o LHC, que custou cerca de US $ 10 bilhões e envolve milhares de cientistas de dezenas de países, foi buscar evidências para o campo de Higgs. A matemática mostrou que, se a idéia estiver correta, se realmente estivermos imersos em um oceano do campo de Higgs, as violentas colisões de partículas poderão sacudir o campo, da mesma forma que dois submarinos colidindo balançariam a água ao redor deles. E, de vez em quando, o movimento deve ser o ideal para tirar uma partícula do campo - uma minúscula gota do oceano Higgs - que apareceria como a tão procurada partícula de Higgs.
Os cálculos também mostraram que a partícula de Higgs seria instável, desintegrando-se em outras partículas em uma fração minúscula de um segundo. Dentro do turbilhão de partículas colidindo e nuvens de restos de partículas, cientistas armados com computadores poderosos procurariam a impressão digital de Higgs - um padrão de produtos de decadência ditados pelas equações.
Na madrugada de 4 de julho de 2012, reuni-me com cerca de 20 outros baluartes em uma sala de conferências no Centro de Física de Aspen para ver a transmissão ao vivo de uma coletiva de imprensa nas instalações do Grande Colisor de Hádrons, em Genebra. Cerca de seis meses antes, duas equipes independentes de pesquisadores encarregadas de coletar e analisar os dados do LHC anunciaram uma forte indicação de que a partícula de Higgs havia sido encontrada. O boato agora voando em torno da comunidade de física era que as equipes finalmente tinham provas suficientes para uma reivindicação definitiva. Juntamente com o fato de que o próprio Peter Higgs foi convidado a fazer a viagem a Genebra, houve uma grande motivação para ficar acordado até as três da manhã para ouvir o anúncio ao vivo.
E como o mundo veio para aprender rapidamente, a evidência de que a partícula de Higgs havia sido detectada era forte o suficiente para cruzar o limiar da descoberta. Com a partícula de Higgs agora oficialmente encontrada, a platéia em Genebra começou a aplaudir loucamente, assim como nosso pequeno grupo em Aspen, e sem dúvida dezenas de encontros semelhantes em todo o mundo. Peter Higgs enxugou uma lágrima.
Com um ano de retrospectiva e dados adicionais que só serviram para fortalecer o Higgs, eis como eu resumiria as implicações mais importantes da descoberta.
Primeiro, sabemos há muito tempo que existem habitantes invisíveis no espaço. Ondas de rádio e televisão. O campo magnético da Terra. Campos gravitacionais. Mas nenhum destes é permanente. Nenhum é imutável. Nenhuma está uniformemente presente em todo o universo. A este respeito, o campo de Higgs é fundamentalmente diferente. Acreditamos que seu valor é o mesmo na Terra, perto de Saturno, nas Nebulosas de Orion, em toda a galáxia de Andrômeda e em qualquer outro lugar. Até onde podemos dizer, o campo de Higgs está indelevelmente impresso no tecido espacial.
Em segundo lugar, a partícula de Higgs representa uma nova forma de matéria, que foi amplamente esperada por décadas, mas nunca foi vista. No início do século XX, os físicos perceberam que as partículas, além de sua massa e carga elétrica, tinham uma terceira característica definidora: seu giro. Mas ao contrário do topo de uma criança, o giro de uma partícula é uma característica intrínseca que não muda; não acelera ou diminui com o tempo. Elétrons e quarks têm o mesmo valor de spin, enquanto o spin de fótons - partículas de luz - é o dobro de elétrons e quarks. As equações que descrevem a partícula de Higgs mostraram que, ao contrário de qualquer outra espécie de partícula fundamental, ela não deveria ter rotação alguma. Os dados do Large Hadron Collider já confirmaram isso.
Estabelecer a existência de uma nova forma de matéria é uma conquista rara, mas o resultado tem ressonância em outro campo: cosmologia, o estudo científico de como todo o universo começou e se desenvolveu na forma que agora testemunhamos. Por muitos anos, os cosmologistas que estudam a teoria do Big Bang foram frustrados. Eles haviam reunido uma descrição robusta de como o universo evoluiu a partir de uma fração de segundo após o início, mas não conseguiram dar uma ideia do que impulsionou o espaço para começar a se expandir, em primeiro lugar. Que força poderia ter exercido um impulso tão poderoso? Apesar de todo o sucesso, a teoria do Big Bang deixou de fora o estrondo.
Na década de 1980, uma possível solução foi descoberta, uma que toca um sino alto de Higgs. Se uma região do espaço é uniformemente preenchida com um campo cujos constituintes particulados são sem spin, então a teoria da relatividade de Einstein (a teoria da relatividade geral) revela que uma poderosa força repulsiva pode ser gerada - um estrondo e um grande nisso. Os cálculos mostraram que era difícil perceber essa ideia com o próprio campo de Higgs; O duplo dever de fornecer massas de partículas e de abastecer o estrondo é um fardo substancial. Mas os cientistas perspicazes perceberam que, ao postular um segundo campo “semelhante a Higgs” (possuindo o mesmo giro de fuga, mas massa e interações diferentes), poderiam dividir o fardo - um campo para massa e outro para o impulso repulsivo - e oferecer um explicação convincente do estrondo. Por causa disso, por mais de 30 anos, físicos teóricos vêm explorando vigorosamente teorias cosmológicas nas quais esses campos de Higgs desempenham um papel essencial. Milhares de artigos de periódicos foram escritos desenvolvendo essas idéias, e bilhões de dólares foram gastos em observações do espaço profundo buscando - e encontrando - evidências indiretas de que essas teorias descrevem com precisão nosso universo. A confirmação do LHC de que pelo menos um desses campos realmente existe, coloca assim uma geração de teorização cosmológica sobre uma base muito mais firme.
Finalmente, e talvez mais importante, a descoberta da partícula de Higgs é um surpreendente triunfo do poder da matemática em revelar o funcionamento do universo. É uma história que foi recapitulada em física inúmeras vezes, mas cada novo exemplo emociona da mesma forma. A possibilidade de buracos negros surgiu da análise matemática do físico alemão Karl Schwarzchild; observações subseqüentes provaram que os buracos negros são reais. A cosmologia do Big Bang surgiu a partir das análises matemáticas de Alexander Friedmann e Georges Lemaître; observações subseqüentes provaram essa percepção correta também. O conceito de anti-matéria surgiu pela primeira vez das análises matemáticas do físico quântico Paul Dirac; experimentos subseqüentes mostraram que essa idéia também está certa. Esses exemplos dão uma idéia do que o grande físico matemático Eugene Wigner quis dizer quando falou da “eficácia irracional da matemática na descrição do universo físico”. O campo de Higgs emergiu de estudos matemáticos que buscavam um mecanismo para dotar partículas com massa. E mais uma vez a matemática chegou com cores voadores.
Como físico teórico, um dos muitos dedicados a descobrir o que Einstein chamou de "teoria unificada" - as conexões profundamente ocultas entre todas as forças e a matéria da natureza com que Einstein sonhava, muito depois de ser fisgado pela física misteriosa da bússola. A descoberta do Higgs é especialmente gratificante. Nosso trabalho é orientado pela matemática e até agora não fez contato com dados experimentais. Estamos aguardando ansiosamente 2015 quando um LHC atualizado e ainda mais poderoso será ligado novamente, pois há uma chance de que os novos dados forneçam evidências de que nossas teorias estão indo na direção certa. Os principais marcos incluiriam a descoberta de uma classe de partículas até então não vistas (chamadas de partículas “supersimétricas”) que nossas equações prevêem, ou sugere a possibilidade selvagem de dimensões espaciais além das três que todos experimentamos. Mais emocionante ainda seria a descoberta de algo completamente imprevisto, enviando-nos todos correndo de volta aos nossos quadros-negros.
Muitos de nós temos tentado escalar essas montanhas matemáticas por 30 anos, algumas até mais. Às vezes sentimos que a teoria unificada estava além das nossas mãos, enquanto em outras ocasiões estamos tateando no escuro. É um grande impulso para a nossa geração testemunhar a confirmação do Higgs, para testemunhar as percepções matemáticas de quatro décadas percebidas como pops e crepitações nos detectores do LHC. Isso nos lembra de levar a sério as palavras do ganhador do Prêmio Nobel, Steven Weinberg: “Nosso erro não é levarmos nossas teorias muito a sério, mas não as levamos a sério o suficiente. É sempre difícil perceber que esses números e equações com os quais lidamos em nossas mesas têm algo a ver com o mundo real. ”Às vezes, esses números e equações têm uma capacidade estranha, quase estranha, de iluminar os cantos escuros da realidade. Quando o fazem, chegamos muito perto de compreender nosso lugar no cosmos.
