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Bóson de Higgs
Referências
[01] Cientistas estão perto de descobrir a partícula de Deus, site da revista Galileu, 2012.
[02] A mão de Deus e a partícula de Deus. Aleteia, 2014.
Analogias
Os três vídeos a seguir mostram analogias que podem ser úteis para entender o que é o campo e o bóson de Higgs.
Partícula de Deus
Na grande mídia é muito comum encontrar o termo como um “apelido” do bóson de Higgs [01] e alguns discutem o significado divino desta descoberta, como exemplo as reportagens presentes nas referências [02] e [03]. Mas seu significado “não tem nada a ver com teologia ou com Deus” [02].
O termo foi utilizado pela primeira vez por Leon Lederman no título de seu livro “The God Particle” [04], de acordo com o próprio autor:
“...Este bóson é tão central para o estado da física atualmente, tão crucial para nosso entendimento final da estrutura da matéria, ainda tão elusivo, que eu lhe dei um apelido: “Partícula de Deus”. Por que Partícula de Deus? Duas razões. Uma, o editor não nos deixou chama-la de “Goddamn Particle” (partícula maldita ou essa ***** de partícula, em linguagem mais atual), que seria um título mais apropriado, dada sua natural vilania e todos as despesas que vem causando. E dois, há uma conexão, de alguma forma, com outro livro muito mais antigo ...” [04] pag. 22.
[03] Cientistas cristãos comentam a descoberta da "Partícula de Deus". Gospel Prime, 2012.
[04] L. Lederman with D. Teresi, The God Particle, Dell publishing, 1993.
[05] Higgs, Particle Physics Package, Lancaster University.
[06] The Higgs Boson, International Physics Masterclass.
[07]Detector, Particle Physics Package, Lancaster University.
[08]ATLAS Subdetector, Colider, Oxford University
[09]CMS Colaboration, Observation of a New Particle With Mass of 125 GeV (2012).
[10]Atlas Colaboration, Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC (2012).
[11] Measurements, Particle Physics Package, Lancaster University.
[12] Colider, Oxford University.
O bóson de Higgs foi a última partícula do modelo padrão da física de partículas a ser detectada. O modelo padrão descreve muito bem as interações eletromagnéticas, forte e fraca.
A necessidade de uma partícula com as características do bóson de Higgs surge do modelo matemático por trás do conhecimento da interação eletro-fraca, principalmente devido ao fato de os bósons W e Z, mediadores da força fraca, terem massa muito grande e os fótons e glúons não terem massa.
A interação das partículas elementares com o campo de Higgs é responsável pela massa dessas partículas. A descoberta do bóson de Higgs com as características previstas teoricamente marca o triunfo do modelo padrão como uma teoria que unifica as interações eletromagnética, forte e fraca [05].
A seguir será analisada a reação que parte da colisão de dois prótons muito energéticos e finaliza com a detecção de dois fóton (raios gama), provenientes do decaimento de um bóson de Higgs, como indica o diagrama da figura 01.
Bóson de Higgs
Figura 01: Diagrama de Feynman representando a produção e decaimento do bóson de Higgs.
Fonte: lppp.lancs.ac.uk
O vídeo na sequência ilustra o evento indicado no diagrama.
O decaimento do Higgs em dois fótons é muito raro (apenas 0,2%) mas são muito mais fáceis de serem identificados do que o decaimento em bottom e anti-botton (57% de probabilidade). O segundo decaimento produz dois jatos que são muito difíceis de ser identificados nos detectores já que se confundem com outras interações relacionadas à força forte, que são muito abundantes [06].
Produção
A interação entre os componentes dos prótons iniciais pode dar origem a um par de glúons. A aniquilação desses glúons, se acumular a quantidade de energia necessária, leva à criação de outro par virtual, agora de quarks top-antitop. Este par quando aniquilado leva à criação de um bóson de Higgs.
Analisando a seção de choque dos eventos do LHC pode-se concluir que ocorrem milhões de colisões entre prótons a cada segundo, assim é possível determinar a probabilidade dos eventos descritos no diagrama ocorrerem.
Decaimento
No evento descrito no diagrama o decaimento do bóson de Higgs leva a outro par virtual de top-antitop, que depois dará origem a dois fótons em sua aniquilação. Esses fótons são reais e podem ser detectados. Em função da energia do par de fótons detectados é possível determinar a massa da partícula que origem a eles, o bóson de Higgs.
Existem diversas previsões de decaimento para o bóson de Higgs, dependendo das condições do experimento realizado, que podem ser determinadas analisando a largura de decaimento de cada uma delas. Para um Higgs de 125 GeV a figura 02 mostra quais são as probabilidades de decaimento.
Figura 01: Probabilidades de decaimento de um bóson de Higgs de 125 GeV.
Detecção
Os dois fótons de raios gama tem uma assinatura facilmente reconhecível no detector, não deixam rastros nos detectores centrais, mas depositam sua energia nos calorímetros eletromagnéticos que ficam ao redor. Elétrons e pósitrons também depositam sua energia nos calorímetros, mas deixam rastros nos detectores centrais, da mesma forma que píons e múons [07], veja a comparação feita na figura 03.
Figura 03: Comparação entre os traços deixados por um elétron e um fóton nos detectores.
Modificado de: collider.physics.ox.ac.uk
Este tipo de detector permite a medição da energia de partículas que interagem de forma eletromagnética [08]. Então, a assinatura do decaimento de um Higgs em dois fótons são duas torres, representando a energia depositada nos calorímetros, sem a presença de traços nos detectores centrais, figura 04.
Figura 04: Simulação computacional do decaimento de um Higgs no detector ATLAS.
Fonte: lppp.lancs.ac.uk
Nas colisões que ocorrem no LHC milhões de eventos são gerados a cada segundo. Os pesquisadores recebem os dados dos eventos mais promissores, com os candidatos a decaimento do Higgs. Muitos desses eventos apresentam pares de fótons de outras fontes que podem ser identificados por representarem decaimentos de partículas com massas muito diversas e uma distribuição contínua acima e abaixo da massa esperada para o Higgs. Os eventos que estão verdadeiramente relacionados ao decaimento de um Higgs indicam um valor invariável de massa e um pico estreito ao longo dos eventos de fundo [07], como indicado na figura 05.
Figura 05 – Identificação dos fótons provenientes do decaimento do Higgs entre aqueles de outras fontes (fundo).
Fonte: higgshunters.org
A prova da identificação do bóson de Higgs veio em 2012 com a publicação de dois artigos, produzidos pelos pesquisadores do CMS [09] e o do ATLAS [10], centenas de eventos candidatos ao decaimento do Higgs foram analisadas durante meses para produzir a significância estatística necessária, já que mesmo com milhões de colisões por segundo os decaimentos de Higgs em dois fótons é bem raro.
Clicando na imagem a seguir encontra-se um link da Universidade de Lancaster para um simulador (figura 06) dos eventos de colisões que dão origem ao bóson de Higgs e sua detecção. [11]
Figura 06 – Simulador de colisões e identificação do bóson de Higgs da Universidade de Lancaster.
Fonte: lppp.lancs.ac.uk
Um simulador de colisões para sistemas Android desenvolvido na Universidade de Oxford. Permite visualizar e identificar diferentes partículas nas colisões de alta energia diretamente do LHC.
Um curso de física de partículas voltado para estudantes do final do Ensino Médio ou do início da graduação sobre física de partículas, conta com animações, vídeos, e atividades de resolução de exercícios.
Artigo que apresenta uma boa descrição inicial do modelo padrão e da necessidade do bóson de Higgs, além de apresentar aspectos mais sofisticados do modelo padrão.