terça-feira, 6 de março de 2012

Uma explicação sobre o Bóson de Higgs

Acredito que a maioria de vocês deva estar acompanhando a epopéia que é o funcionamento do LHC. Se você não está, é uma pena, está perdendo algo muito mais legal do que Big Brother Brasil. A questão toda é que cientistas estão em busca de uma partícula chamada Bóson de Higgs, uma partícula prevista no Modelo Padrão. Até o momento que escrevo este post, essa partícula ainda não havia sido descoberta, apesar de alguns indícios de que ela existe por sinais encontrados pelo LEP.

Por que as coisas têm massa?

Tá, já deu pra ver que essa partícula é a nova moda da Física de Partículas e a xodó do pessoal da Mecânica Quântica, não é mesmo? Mas, o que essa partícula têm de tão especial? Bom, em síntese ela é uma explicação para o motivo das coisas terem massa, além de dar uma luz sobre a Matéria Escura. Bom, vou explicar isso pouco a pouco nesse post, de forma que você não se sinta tão confuso, ok? Eu também tive um pouco de trabalho pra entender, então vamos lá.

O que é o Bóson de Higgs?

Primeiramente, vamos falar um pouco sobre o Modelo Padrão...



O Modelo Padrão da física de partículas, estabelece os princípios de como as partículas elementares e forças interagem no universo. Mas a teoria falha fundamentalmente em explicar como as partículas realmente obtém sua massa.

Partículas, ou pedaços de matéria, variam em tamanho e podem ser maiores ou menores que os átomos. Elétrons, prótons e nêutrons, por exemplo, são as partículas subatômicas que formam um átomo.

Os cientistas acreditam que o bóson de Higgs é a partícula que dá toda a matéria a sua massa.

Os físicos de partículas sabem que as partículas elementares como os quarks e os elétrons são o alicerce sobre o qual toda a matéria no universo é construído. Eles acreditam que o bóson de Higgs indescritível dá a massa de partículas e preenche um dos buracos-chave na física moderna.

Como funciona o Bóson de Higgs?

O bóson de Higgs faz parte de uma teoria proposta primeiramente pelo físico Peter Higgs na década de 60 para explicar como as partículas obtém massa.

Bóson de Higgs é uma partícula elementar que surgiu logo após ao Big Bang e foi prevista para validar o modelo padrão atual de partículas da Física de Partículas.

A teoria propõe que o chamado campo de energia de Higgs existe em todo o universo. Quando as partículas viajam através desse campo, elas interagem com o mesmo, atraindo os Bósons, que se aglomeram em torno das partículas em quantidades variadas, produzindo a massa observável das várias partículas.

É a única partícula do modelo padrão que ainda não foi observada.

Como funciona isso, na verdade?

Se você também não entendeu muito da definição anterior, não se preocupe. Você está no caminho certo. Caso contrário, você deveria se empenhar em obter um doutorado nessa área, por que vc pode ser de grande ajuda pro pessoal que tenta entender o funcionamento do nosso universo.

Prosseguindo.

Então, existe o Mecanismo de Higgs, o Campo de Higgs e o Bóson de Higgs. O que era uma coisa só virou três (será por isso que a chamam de partícula de Deus? Haahahahahaha). Mas as três coisas são, na verdade, correlacionadas e explicar uma exige explicar as outras duas.

Campo de Higgs

Na Teoria Quântica de Campos, o Campo de Higgs é um campo quântico que existe em todo o espaço do universo, e é supostamente responsável por dar massa à todas as outras partículas. A diferença entre o Campo de Higgs e o Bóson de Higgs é que na Teoria Quântica de Campos, tanto as partículas que compõem a matéria (quarks e léptons) quanto os portadores de força (bósons) são excitações quantizadas mensuráveis de um campo fundamental de energia mínima e não-nula (vácuo). Ou seja, o Bóson de Higgs é a manifestação do Campo na forma de uma partícula que possui um determinado nível de energia que pode ser detectado. Podemos citar como outros exemplos de Partícula/Campo o Fóton, que é o mediador do Campo Eletromagnético e o Glúon, que media a Força Forte que atua mantendo os Neutrons e Prótons unidos no núcleo do átomo.

Mecanismo de Higgs

Agora vêm a parte mais legal da teoria, o "Como Tudo Funciona". Essa parte eu vou explicar de forma mais lúdica, para facilitar o entendimento. Só lembrando que aqui, Campo de Higgs e Bóson de Higgs são interpretados como duas manifestações diferentes da mesma coisa.

Imagine que você está observando um encontro de pessoas nada importantes. A eliminação de um BBB, por exemplo. Naquele lugar, imagine que todas as pessoas estão aguardando o famigerado eliminado em uma sala e que estão distribuídos uniformemente pela sala, todas conversando com as pessoas do lado delas.

Essas pessoas são equivalentes ao Bóson/Campo de Higgs, ao passo que o BBB é uma partícula qualquer, como um lépton, um quark ou um bóson. Continue lendo que você vai entender melhor isso tudo.

De repente, o BBB eliminado entra e cruza a sala de uma ponta à outra. Todas as pessoas próximas ao Ex-BBB serão atraídas para ele e se acotovelarão à volta dele. À medida que ele se move pela sala, ele atrai as pessoas que estão na direção na qual ele está se movendo e ao mesmo tempo as pessoas das quais ele está se distanciando saem do amontoado e voltam a ocupar seu próprio espaço.

Como o amontoado de pessoas sempre se agrupa em torno do Ex-BBB, ele passa a ter uma massa muito maior do que o habitual, ou seja, ela necessita de um maior impulso para que possa manter a mesma velocidade. Quando em movimento, é mais difícil pará-lo e quando parado é mais difícil pô-lo em movimento novamente, porque quando o Ex-BBB está em movimento ou parado, o processo de agrupamento precisa ser parado/reiniciado. Daí vêm a inércia da partícula, já que em Física, um objeto que está em movimento tende a continuar em movimento e um objeto que está parado tende a ficar parado, se não houver nenhuma força externa atuando sobre o mesmo.

Em três dimensões, e com todas as complicações da teoria da relatividade e da teoria quântica, esse é o funcionamento do Mecanismo de Higgs. A fim de se dar massa às partículas, os físicos criaram um campo de fundo que existe em toda a estrutura do universo e que se distorce sempre que uma partícula se move através desse campo. A distorção - a aglomeração das pessoas em torno do Ex-BBB - gera a massa da partícula. É mais ou menos como andar dentro d'água. Você precisa fazer muito mais força (momento) para começar a andar ou para parar o movimento depois de iniciado.

A idéia veio diretamente da Física dos Sólidos. Em vez de um campo que se espalha ao longo de todo o espaço, um sólido cristalino contém uma estrutura de átomos carregados positivamente. Quando um elétron se move pela estrutura, os átomos são atraídos para ele, fazendo com que o elétron passe a ter aproximadamente 40 vezes a massa de um elétron livre. O postulado do Mecanismo de Higgs no Vácuo é um tipo de estrutura hipotética que permeia todo o universo. Essa teoria é necessária para explicar o porque de os Bósons W e Z (que mediam a Força Nuclear Fraca) terem uma massa tão alta, ao passo que o Fóton (que media a Força Eletromagnética) não possui massa nenhuma.

Isso é equivalente a compararmos, por exemplo, a passagem do nosso Ex-BBB e de um desconhecido através da sala. O Ex-BBB irá atrair um quantitativo de pessoas muito maior do que o desconhecido, que irá conseguir atravessar a sala sem muito esforço.

Bóson de Higgs

Agora que falamos do Mecanismo de Higgs, imagine a seguinte situação. Imagine que antes que nosso Ex-BBB tenha sequer aparecido na sala com as pessoas uniformemente distribuídas, um rumor chegou na sala.

Aqueles mais próximos da porta irão ouvir primeiro então eles se virarão e irão de encontro aos seus vizinhos locais, que também querem saber mais sobre o rumor. Uma "onda" de rumor se desloca pela sala, conforme as pessoas vão recebendo os detalhes do rumor e passando ele pra frente. A onda pode se espalhar por toda a estensão da sala ou formar um agrupamento coeso que carrega a novidade da porta para alguma pessoa que eles julgam importante, do outro lado da sala, através de uma linha de pessoas que contribuem para que o rumor chegue do outro lado.

Desde que a informação é transportada por um grupo de pessoas, e foi esse mesmo agrupamento que deu a massa extra para o nosso Ex-BBB, podemos dizer que nosso grupo de pessoas transportando o rumor também possui massa. O Bóson de Higgs é previsto como sendo esse agrupamento no Campo de Higgs, conforme a Teoria Quântica de Campos.

Achamos muito mais fácil acreditar que o campo existe, e que o mecanismo para dar massa as outras partículas é verdadeiro, se realmente vermos a partícula de Higgs nas leituras dos aceleradores de partículas. Novamente, existem analogias na Física dos Sólidos. A estrutura cristalina pode carregar ondas de agregação sem precisar de um elétron para se mover e atrair os átomos. Essas ondas podem se comportar como se fossem partículas. Eles são chamados de fónons, e eles também são bósons. Pode haver um mecanismo de Higgs, e um campo de Higgs em todo o nosso Universo, sem que exista um bóson de Higgs. A próxima geração de aceleradores irá resolver isso.

O campo de Higgs, quando quantizado como qualquer outro campo quantizado, se expressa na forma de quanta. Os quanta são do tipo escalar (spin zero) e massivos, e se forem suficientemente localizados podem ser considerados partículas, e como partículas, podem participar de diagramas de Feynman. E é esse aspecto do campo de Higgs que os físicos estão interessados na atualidade.

Higgs e a Matéria Escura

Bom, vamos falar da Matéria Escura. Como se pode encontrar facilmente na Wikipédia, a Matéria Escura é um tipo de matéria que não pode ser detectada por nenhuma das maneiras atuais de identificação de matéria. No entanto, ela é necessária para explicar determinados fatos como a rotação de galáxias supermassivas e pode ser detectada através do efeito das lentes gravitacionais.

Bom, se analisarmos o que lemos acima sobre como o Mecanismo de Higgs funciona, poderíamos explicar a existência da Matéria Escura na forma como o Campo de Higgs se comporta nos grandes corpos espaciais. Já que uma partícula deforma o campo de higgs à sua volta, e esse campo, quando quantizado e identificado como uma partícula, possui massa, podemos dizer então que nesses aglomerados há uma maior deformação do espaço à volta deles, que é contribuído pelo próprio campo. É como termos tantos Ex-BBBs e pessoas formando agrupamentos em torno deles que a própria presença das pessoas comuns acrescentasse mais massa ao todo.

Mas, isso é só a minha visão da forma como o Mecanismo de Higgs funciona. Eu ainda não entendo por completo como isso funciona, e espero conseguir um esclarecimento a respeito disso na medida que o LHC consiga comprovar a existência do Bóson de Higgs.

Higgs, Vácuo Quântico e a Energia Escura

Sim, Higgs pode ter uma relação com o Vácuo Quântico e com a Energia Escura. Conforme explicado acima, o Campo de Higgs é um campo que se estende por toda a estrutura do Universo, freando a movimentação de todas as partículas e criando massa. Mas, se o Campo de Higgs se espalha por todos os lugares do Universo, então significa que mesmo que não exista nenhuma partícula em uma determinada região, ainda sim existirá o campo.

Aqui entra um outro ponto interessante. Para o pessoal da Cosmologia, o vácuo aparenta ter uma espécie de energia, ou seja, ele não é ausente de tudo. Há uma diferença aqui entre Vácuo e Nada. O Vácuo nada mais é do que o menor estado quântico possível para uma determinada região, ao passo que o Nada é simplesmente a ausência de qualquer coisa, inclusive espaço. O Nada não existe dentro do nosso Universo.

O campo de Higgs, que reside no Vácuo Quântico, difere dos outros campos por, primeiramente, não possuir uma fonte, como no caso do Campo Eletromagnético e, além disso, que mesmo em seu estado mais fundamental existem flutuações de energia, na forma de quanta. Esses quanta (o Bóson de Higgs) são considerados como as reais manifestações físicas do campo de energia do vácuo.

Então, voltando ao tópico, essa energia é o que os Cosmologistas chamam de Energia Escura e é uma energia que se espalha uniformemente e que não pode ser detectada, da mesma forma que a Matéria Escura. No entanto, ela existe nas teorias sobre a expansão e é uma das explicações para fenômenos como a aceleração da expansão do Universo.

E por que esse campo poderia ser o responsável pela aceleração da expansão do Universo? Porque imagine que cada vez que expandimos o universo, a matéria continua a mesma, a mesma quantidade de partículas formada no Big Bang. No entanto, o espaço entre essas partículas aumenta. E como o Vácuo, segundo a teoria de Campo de Higgs, possui um nível de energia, ter mais vácuo significa ter mais energia. E como a taxa de expansão é determinada pela quantidade de energia disponível, podemos dizer que quanto mais vácuo tivermos pela expansão, mais rápida ocorrerá a expansão. E as observações do universo têm mostrado essa tendência, que Einstein chamou de Constante Cosmológica.

Para o pessoal da Física de Partículas, essa Energia Escura que permeia o Vácuo pode ser a mesma coisa que o Campo de Higgs.

E se o Bóson de Higgs não existir?


Seria algo desapontador, não é mesmo? Não não, pelo contrário. Se o Bóson de Higgs não existir, é um sinal de que algo está errado com o Modelo Padrão e outras teorias deveriam ser postuladas para explicar os fenômenos que essa teoria pretendia explicar.

Uma dessas teorias é a de que a gravidade pode ser explicada na forma de uma pressão do espaço em torno de objetos e seria influenciada tanto pela massa quanto pelo volume, mas essa teoria eu deixo pra explicar em um outro momento. Aqui a estrela é o Bóson de Higgs.

Por que descobrir a origem da massa das coisas é tão importante?

Pela questão de que, no Modelo Padrão, se o analisarmos sob a ótica da supersimetria (usada para prever certos comportamentos como oscilações dos neutrinos e até mesmo a existência da Matéria Escura), as partículas não deveriam ter massa. E a consequência disso é que, por não ter massa, a partícula deveria se mover à velocidade da luz para qualquer força aplicada na mesma. Ou seja, se a gente se movesse, nosso movimento seria à velocidade da luz. Por termos massa (e consequentemente inércia) a aceleração de nosso corpo para iniciar ou parar um movimento exige uma quantidade proporcional de força relativa à massa e a aceleração desejada. Isso é melhor definido na Segunda Lei de Newton, que trata exatamente dessa relação.

Por que é encontrar o bóson de Higgs é tão importante?

Encontrar o bóson de Higgs não irá nos dizer tudo o que precisamos saber sobre como o universo funciona. No entanto, vai preencher uma lacuna enorme no modelo padrão que já existe há mais de 50 anos, de acordo com cientistas. Caso a partícula seja encontrada, ela será nada mais do que o começo de uma busca por um entendimento mais profundo de como nosso universo funciona, finalmente lançando alguma luz sobre a tão desconhecida Matéria Escura.

Fontes:

The Mistery of Empty Space (Youtube)
A quasi-political Explanation of the Higgs Boson; for Mr Waldegrave, UK Science Minister 1993.
Higgs Boson
Dark Matter

Physical Vacuum as the Source of Standard Model Particle Masses

Higgs could reveal itself in dark-matter collisions