♦ Em 8 de abril de 2024, o físico teórico britânico Peter Ware Higgs, que teorizou pela primeira vez a existência do Bóson de Higgs, faleceu aos 94 anos. Seu falecimento foi anunciado em 10 de abril.
"Além de suas notáveis contribuições à física de partículas, Peter era uma pessoa muito especial, uma figura imensamente inspiradora para físicos de todo o mundo, um homem de rara modéstia, um grande professor e alguém que explicava a física de uma maneira muito simples e ao mesmo tempo profunda", disse Fabiola Gianotti, diretora-geral do CERN, no X feed da instituição. "Um pedaço importante da história e das conquistas do CERN está ligado a ele. Estou muito triste e vou sentir muita falta dele".
O bóson de Higgs é a partícula portadora de força fundamental do campo de Higgs, que é responsável por conceder a outras partículas sua massa. Este campo foi proposto pela primeira vez em meados dos anos sessenta por Peter Higgs - para quem a partícula é nomeada e seus colegas.
A partícula foi finalmente descoberta em 4 de julho de 2012 por pesquisadores do Large Hadron Collider (LHC) — o mais poderoso acelerador de partículas do mundo — localizado no laboratório europeu de física de partículas CERN, na Suíça.
À medida que os cientistas se aproximavam do final do século 20, os avanços na física de partículas haviam respondido a muitas perguntas que cercavam os blocos de construção fundamentais da natureza. No entanto, à medida que os físicos povoavam constantemente o zoológico de partículas com elétrons, prótons, bósons e todos os sabores de quarks, algumas perguntas urgentes permaneciam teimosamente sem resposta. Dentre elas, por que algumas partículas têm massa?
A história do bóson de Higgs é motivada por essa questão.
🔹 O QUE É O BÓSON DE HIGGS?
O bóson de Higgs tem uma massa de 125 bilhões de elétrons-volts – o que significa que é 130 vezes mais massivo do que um próton, de acordo com o CERN. Também é sem carga com zero spin – uma mecânica quântica equivalente ao momento angular. O Bóson de Higgs é a única partícula elementar sem spin.
Um bóson é uma partícula "portadora de força" que entra em jogo quando as partículas interagem entre si, com um bóson trocado durante essa interação. Por exemplo, quando dois elétrons interagem, eles trocam um fóton – a partícula portadora de força dos campos eletromagnéticos.
Como a teoria quântica de campos descreve o mundo microscópico e os campos quânticos que preenchem o universo com mecânica ondulatória, um bóson também pode ser descrito como uma onda em um campo.
Assim, um fóton é uma partícula e uma onda que surge de um campo eletromagnético excitado e o bóson de Higgs é a partícula ou "manifestação quantizada" que surge do campo de Higgs quando excitado. Esse campo gera massa através de sua interação com outras partículas e o mecanismo transportado pelo bóson de Higgs chamado mecanismo de Brout-Englert-Higgs
🔹 POR QUE O BÓSON DE HIGGS É CHAMADO DE "PARTÍCULA DE DEUS"?
O apelido do bóson de Higgs "a Partícula de Deus" foi solidificado após sua descoberta, ou seja, como resultado da mídia popular. A origem disso está muitas vezes ligada ao físico ganhador do Prêmio Nobel Leon Lederman referindo-se ao bóson de Higgs como a "partícula maldita" em frustração com o quão difícil era detectar.
O Business Insider diz que quando Lederman escreveu um livro sobre o bóson de Higgs na década de 1990, o título seria "The Goddamn Particle", mas as editoras mudaram isso para "The God Particle" e uma conexão problemática com a religião foi desenhada, o que incomoda os físicos até hoje.
Ainda assim, é difícil superestimar a importância do bóson de Higgs e do campo de Higgs em geral, pois sem esse aspecto da natureza nenhuma partícula teria massa. Isso significa que não há estrelas, planetas e não somos – algo que pode ajudar a justificar seu apelido hiperbólico.
🔹 POR QUE O BÓSON DE HIGGS É IMPORTANTE?
Em 1964, os pesquisadores começaram a usar a teoria quântica de campos para estudar a força nuclear fraca – que determina o decaimento atômico de elementos transformando prótons em nêutrons – e seus portadores de força os bósons W e Z.
Os portadores de força fraca deveriam ser sem massa e, se não estivessem, corriam o risco de quebrar um princípio da natureza chamado simetria que, assim como a simetria de uma forma, garante que ela pareça a mesma se for virada ou invertida – garante que as leis da natureza sejam as mesmas, independentemente de como são vistas. Colocar massa arbitrariamente nas partículas também fez com que certas previsões tendessem ao infinito.
No entanto, os pesquisadores sabiam que, como a força fraca é tão forte em interações de curta distância – muito mais poderosa do que a gravidade – mas muito fraca em interações mais longas, seus bósons devem ter massa.
A solução proposta por Peter Higgs, François Englert e Robert Brout, em 1964, era um novo campo e uma maneira de "enganar" a natureza para quebrar a simetria espontaneamente.
Um artigo do CERN compara isso a um lápis em pé em sua ponta – um sistema simétrico – de repente inclinando-se para apontar em uma direção preferida, destruindo sua simetria. Higgs e seu colega físico propuseram que, quando o universo nasceu, ele foi preenchido com o campo de Higgs em um estado simétrico, mas instável - como o lápis precariamente equilibrado.
O campo rapidamente, em apenas frações de segundo, encontra uma configuração estável, mas isso no processo quebra sua simetria. Isso dá origem ao mecanismo Brout-Englert-Higgs, que concede massa aos bósons W e Z.
O que mais tarde foi descoberto sobre o campo de Higgs foi que ele não só daria massa aos bósons W e Z, mas que daria massa a muitas outras partículas fundamentais. Sem o campo de Higgs e o mecanismo de Brout-Englert-Higgs, todas as partículas fundamentais correriam ao redor do universo na velocidade da luz. Essa teoria não explica apenas por que as partículas têm massa, mas também por que elas têm massas diferentes.
As partículas que interagem – ou "acoplam" – com o campo de Higgs mais fortemente recebem massas maiores. Até mesmo o próprio bóson de Higgs obtém sua massa de sua própria interação com o campo de Higgs. Isso foi confirmado observando como as partículas do bóson de Higgs decaem.
Uma partícula não dotada de massa pelo campo de Higgs é a partícula básica de luz – o fóton. Isso ocorre porque a quebra espontânea de simetria não acontece para fótons como acontece com suas partículas companheiras portadoras de força, os bósons W e Z.
Esse fenômeno de concessão de massa também só se aplica a partículas fundamentais como elétrons e quarks. Partículas como prótons – formadas por quarks – obtêm a maior parte de sua massa da energia de ligação que mantém seus constituintes unidos.
Embora tudo isso esteja de acordo com a teoria, o próximo passo foi descobrir evidências do campo de Higgs detectando sua partícula portadora de força. Fazer isso não seria uma tarefa simples, na verdade, exigiria o maior experimento e a máquina mais sofisticada da história da humanidade.
Dessa forma, a busca pelo próprio bóson de Higgs levou a tecnologia de aceleradores e detectores de partículas ao seu limite – com a expressão final disso sendo o Grande Colisor de Hádrons (LHC).
🔹 A DESCOBERTA DO BÓSON DE HIGGS E O MODELO PADRÃO
Isso significa que, antes de detectar essa partícula, essas condições de alta energia precisam ser replicadas e os bósons de Higgs precisam ser criados. O LHC faz isso acelerando os prótons até a velocidade próxima da luz e esmagando-os.
Isso cria uma cascata de partículas que decaem rapidamente em partículas mais leves. O bóson de Higgs decai muito rapidamente para ser detectado e, em vez disso, foi identificado detectando decaimentos de partículas que indicavam uma partícula sem spin e correspondiam às previsões teóricas para este bóson ausente.
A partícula foi detectada pelo detector LHC ATLAS e pelo detector Compact Muon Solenoid (CMS).
O anúncio da detecção do bóson de Higgs foi feito no CERN em Genebra em 4 de julho de 2012. Demorou até março do ano seguinte para confirmar que a partícula detectada era realmente o bóson de Higgs.
Ao revelar essa partícula, prevista pelo modelo padrão, a descoberta do bóson de Higgs completou esse quadro do mundo subatômico. Ainda há mistérios além dessa teoria, como a natureza da matéria escura que o bóson de Higgs – através de suas propriedades únicas – poderia ajudar a resolver.
🔹 O BÓSON DE HIGGS DEPOIS DE 2012
No ano seguinte à descoberta do bóson de Higgs, Peter Higgs e François Englert receberam o Prêmio Nobel de Física de 2013, por sua teoria de campo de Higgs.
O Comitê Nobel escreveu sobre o prêmio: "pela descoberta teórica de um mecanismo que contribui para nossa compreensão da origem da massa das partículas subatômicas, e que recentemente foi confirmado através da descoberta da partícula fundamental prevista, pelos experimentos ATLAS e CMS no Grande Colisor de Hádrons do CERN".
A descoberta do bóson de Higgs pode ter completado o modelo padrão, mas este não foi o fim da investigação desta partícula indescritível. Uma das principais descobertas feitas desde 2012 envolveu a confirmação da decadência do Higgs.
E a investigação dessa partícula elusiva se aprofundará durante a corrida 3 do LHC e, particularmente, quando a atualização de alta luminosidade do acelerador de partículas for concluída em 2029.
Isso permitirá que o LHC conduza mais colisões, fornecendo aos pesquisadores mais oportunidades de detectar física exótica, incluindo fenômenos além do modelo padrão.
O CERN estima que, após a atualização a cada ano, o acelerador criará 15 milhões dessas partículas. Isso se compara a 3 milhões de bósons de Higgs criados pelo LHC em 2017. Isso pode ser a chave para detectar outros "sabores" do bóson de Higgs.
Teorias que vão além do modelo padrão da física de partículas também preveem até cinco tipos diferentes de bósons de Higgs que podem ser produzidos com mais pouca frequência do que o bóson de Higgs primário. Mesmo antes das atualizações, os cientistas já nos forneceram evidências tentadoras de um "bóson de Higgs magnético".
🔹 PERGUNTAS E RESPOSTAS DO ESPECIALISTA EM BÓSON DE HIGGS
Conversamos com Yves Sirois, físico e diretor de pesquisa da École Polytechnique sobre o Bóson de Higgs.
🤔 O que é o Bóson de Higgs?
O bóson de Higgs é uma partícula elementar associada ao campo de Higgs. É a excitação quântica desse campo, como ondulações no mar. O bóson em si é um tipo completamente novo de animal no zoológico de partículas. Ele não tem as propriedades quânticas da matéria elementar nem as dos portadores de interações quânticas, como a força eletromagnética, a força fraca ou as interações nucleares.
🤔 Quem primeiro teorizou sobre o Bóson de Higgs e por quê?
A existência do bóson de Higgs foi teorizada em meados da década de 1960 como consequência de um mecanismo de quebra de simetria sugerido por Peter Higgs, François Englert e Robert Brout, durante o verão de 1964, e também de forma independente no início do outono do mesmo ano por um grupo dos EUA/Reino Unido composto por Gerald Guralnik, Carl Hagen e Tom Kibble.
Sem esse mecanismo, parecia impossível construir uma teoria das interações fundamentais que seria válida em todas as escalas de energia. Em particular, não se poderia explicar a existência da interação fraca que só atua a distâncias muito curtas, e é responsável pela radioatividade dentro do núcleo de um átomo.
🤔 Por que é uma partícula tão importante?
Este campo de Higgs desempenhou um papel absolutamente decisivo nos primeiros momentos após o nascimento do universo, pois determina a própria natureza do vácuo que preenche nosso espaço-tempo. Ela torna possível a existência de matéria e interações como as conhecemos, e é responsável pelo aparecimento da massa de todas as partículas elementares conhecidas. Sem o campo de Higgs e, portanto, sem o bóson de Higgs, simplesmente não haveria elementos atômicos, estrelas e vida neste universo.
🤔 Como foi descoberto o Bóson de Higgs?
O bóson de Higgs foi descoberto no Grande Colisor de Hádrons (LHC) simultaneamente pelos dois grandes experimentos multiuso ATLAS e CMS. A descoberta foi anunciada no dia 4 de julho de 2012 no CERN.
O novo bóson escalar (spin 0) foi observado na época principalmente em dois raros canais de decaimento que ofereciam o sinal mais limpo, o decaimento em um par de fótons, que envolvia um processo virtual puramente quântico, e o decaimento direto em um par de bósons Z, o portador da interação fraca neutra.
🤔 Por que a busca por essa partícula demorou tanto?
Isso porque o bóson de Higgs é muito pesado e totalmente instável!
Com uma massa de 125 GeV, é 133 vezes mais pesado que um átomo de hidrogênio. Sua vida média é entre um e dois décimos milésimos de bilionésimo de bilionésimo de segundo (cerca de 1,6 x 10^-22 s).
Para produzir uma partícula tão pesada, dada a conhecida equação E = mc^2, você basicamente tem que concentrar uma quantidade considerável de energia em um pequeno volume. É por isso que precisávamos de um colisor de alta energia. O LHC no CERN é a máquina mais poderosa existente na Terra. O bóson de Higgs, onça produzida, decairá de muitas maneiras diferentes, e apenas uma pequena fração delas pode ser distinguida do fundo comum. Para detectar e identificar tais partículas, construímos os maiores e mais complexos detectores já concebidos. Em seguida, analisamos centenas de bilhões de eventos de colisão próton-próton para extrair um sinal de bóson de Higgs.
🤔 Por que cientistas como você ainda investigam o Bóson de Higgs?
Por duas razões principais, além da óbvia necessidade de realizar a caracterização mais precisa da nova partícula. Em primeiro lugar, queremos entender como o vácuo físico em que vivemos foi criado no universo primitivo. Em segundo lugar, queremos entender qual é que esse vácuo físico pode ser estabilizado.
O campo de Higgs é muito único, pois fornece uma energia potencial média esperada diferente de zero para o vácuo físico! Isso é, fundamentalmente, o que faz toda a diferença para o nosso universo. Acreditamos que é possível acessar a forma do potencial energético responsável pela quebra de simetria eletrofraca, ou seja, da própria existência da força eletromagnética de alcance infinito e da força fraca atuando em alcances muito curtos. Acontece que, para fazer isso, temos que estudar a maneira como os bósons de Higgs interagem consigo mesmos! E para isso, precisamos produzir pares de bósons de Higgs!
O bóson de Higgs resolveu a questão da origem da massa de todas as outras partículas elementares, mas sua própria massa é inexplicável. Essa massa não é protegida por nenhuma simetria da teoria, e traz instabilidade indesejada na teoria. Tanto que, por meio de processos quânticos, o próprio vácuo físico poderia se desestabilizar pelas flutuações quânticas. Felizmente, isso está em escalas de tempo consideravelmente maiores do que o tempo de vida conhecido do nosso universo, mas estamos procurando partículas adicionais semelhantes ao bóson de Higgs que sinalizariam a existência da nova física necessária para estabilizar a massa do bóson de Higgs.
Tudo isso motiva a análise de muito mais dados e, se possível, o acesso a energias colisores mais altas. É por isso que milhares de cientistas de todo o mundo ainda se dedicam à tarefa!
🔹 LEITURA ADICIONAL
A descoberta do bóson de Higgs completou o que é conhecido como o modelo padrão da física de partículas. O CERN explica o que essa estrutura nos diz sobre o mundo subatômico. Saiba mais sobre o bóson de Higgs com este artigo do Departamento de Energia dos EUA. Explore algumas perguntas frequentes sobre o bóson de Higgs com o CERN.
🔹 BIBLIOGRAFIA
O Bóson de Higgs, CERN, https://home.cern/science/physics/higgs-boson
O Bóson de Higgs, o Departamento de Energia, https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson
O que há de tão especial no bóson de Higgs?, CERN, https://home.cern/science/physics/higgs-boson/what
Higgs. P., SIMETRIAS QUEBRADAS E AS MASSAS DE BÓSONS DE CALIBRE, Physical Review Letters, [1964], [https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.508]
Peter W. Higgs, Prêmio Nobel, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/higgs/facts/
LHC de alta luminosidade, CERN, https://home.cern/science/accelerators/high-luminosity-lhc
🌏 Fonte: /Publicação: por Robert Lea. space.com
🌏 Créditos do texto: News Deep Space
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Sua descoberta é fundamental para a fundamentação da teoria do modelo padrão; foi descoberto no colisor de hadron localizado no cern entre as fronteiras da França 🇫🇷 e Suíça 🇨🇭.
Sua descoberta traz de volta debates à comunidade científica, como a necessidade de Deus para explicar o universo e sua origem; a discussão do papel de Deus no funcionamento do universo vem muito antes do que chamamos de ciência.
É lógico que Deus se fez presente em todo momento e com o passar do tempo a natureza deixou de ser divina e passou a ser racional .
Para os gregos o sol se movimenta em torno da Terra e o Deus que é o Helio levar no sol em sua carruagem ao redor da Terra
Hoje nós sabemos que a terra gira em torno do sol em sobre si mesmo e sempre que a ciência faz um avanço, para alguns Deus se torna menos importante para explicação do mundo
Se a ciência explicar como surgiu a vida na terra daqui a 20 anos para alguns Deus vai perder essa ação divina.
O nome: a partícula de Deus tem uma explicação, veio de um físico experimental americano que passou 20 anos tentando descobri-la sem sucesso.
Devido ao fracasso resolveu escrever um livro que intitulou: a partícula amaldiçoada por Deus, seu editor apontou que o título era muito inconveniente e sugeriu retirar a palavra amaldiçoada deixando o restante .
A Física de partículas faz exatamente a mesma coisa, se você pegar um objeto qualquer e diminuir de tamanha vai chegar num momento que você não vai mais conseguir ver nitidamente e vai para um microscópio.
Se você conseguir chegar nas moléculas você não consegue ver o que tem nelas e aí você preciso ir para o acelerador de partículas como o LHC
O grande acelerador de partículas LHC faz prótons girarem em dois sentidos , os direcionando para uma colisão.
A energia de movimento é muito grande e no momento do choque é transformada em matéria; o resultado são várias partículas que compõem universo, um chuveiro de partículas como os Neutrinos.
Neutrinos são partículas fantasmas que podem ser vistas também no decaimento radioativo; nesse momento cada um de nós está sendo atravessado por mais ou 1 trilhao de neutrinos formados no coração sol pela colisão do hidrogênio.
Para saber mais:
de que assunto da física se trata a ilustração? deixe sua resposta nos comentários.
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