Um dos maiores desafios da ciência pode estar chegando ao fim. Cientistas que participam dos experimentos no Grande Colisor de Hádrons (LHC) anunciaram na quarta-feira (4/7) ter encontrado fortes indicações da existência de uma nova partícula subatômica, que pode ser o bóson de Higgs.
Procurado há quase meio século pelos físicos, o bóson de Higgs é uma chave fundamental para entender por que partículas elementares têm massa e poderá levar até mesmo a uma nova compreensão da origem do Universo e da vida. O bóson é até o momento uma partícula hipotética postulada em 1964 pelo físico britânico Peter Higgs. A descoberta do bóson seria a completa validação do Modelo Padrão da física de partículas, teoria que descreve as forças fundamentais forte, fraca e eletromagnética, bem como as partículas fundamentais que constituem toda a matéria.
O anúncio foi feito por cientistas que participam das colaborações Atlas (A Toroidal LHC Apparatus) e CMS (Compact Muon Solenoid), conduzidas no LHC da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (Cern), na Suíça. Os dois experimentos contam com a participação de pesquisadores do Brasil. “Acho que encontramos”, disse Rolf Heuer, diretor-geral do Cern, que chamou a descoberta de “marco histórico”. Tanto físicos de partículas do Atlas como do CMS encontraram indicações da presença de uma nova partícula com massa em torno de 125 ou 126 bilhões de elétrons-volt (GeV). O próprio Higgs, aos 83 anos, estava no Cern durante o anúncio.
Apoio decisivo
“Observamos sinais claros de uma nova partícula, ao nível de 5 Sigma (probabilidade do resultado da medida ser verdadeira), na região de massa em torno de 126 GeV. Um pouco mais de tempo será necessário para finalizarmos estes resultados e ainda mais dados e estudos serão necessários para determinar as propriedades da nova partícula”, disse Fabiola Gianotti, porta-voz do experimento Atlas. Para o CMS, a partícula identificada tem massa de cerca de 125 GeV. Na física das partículas, 5 Sigma indica 99,9% de probabilidade de o resultado da medida estar correto e de que há uma chance em 1,75 milhão de se tratar de um desvio estatístico.
As indicações da nova partícula foram identificadas a partir da análise de trilhões de colisões entre partículas realizadas no LHC em 2011 e 2012. O Modelo Padrão da física de partículas estipula que o bóson de Higgs decairia em diferentes partículas, justamente o que o LHC acaba de detectar. O anúncio da descoberta também foi feito na Conferência Internacional de Física de Altas Energias (ICHEP 2012), em Melbourne, Austrália, onde análises detalhadas serão apresentadas no decorrer desta semana. No Cern, cientistas das experiências Atlas e CMS apresentaram resultados preliminares aos cientistas presentes e, por transmissão de vídeo pela internet, a seus colegas localizados em centenas de instituições no mundo todo.
Pesquisadores brasileiros integram os dois experimentos e, no momento do anúncio, quatro deles estavam na conferência em Melbourne, onde apresentarão trabalhos. Os cientistas fazem parte do Centro de Pesquisa e Análise de São Paulo (Sprace), grupo de pesquisa da Universidade Estadual Paulista (Unesp). Por meio do Sprace, os pesquisadores brasileiros operam uma rede de processamento de dados e participam da análise de dados produzidos pelo CMS.
Integram o grupo do Sprace na conferência na Austrália Sandra Padula, Thiago Tomei, Flávia Dias e Ângelo Santos, além de Sérgio Novaes, coordenador do Sprace e professor do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp. Os trabalhos do grupo que serão apresentados esta semana exploram as consequências da possível existência de dimensões extras no Universo e relatam resultados recentes obtidos em colisões de íons pesados.
De acordo com Novaes, a comprovação da descoberta do bóson de Higgs ainda levará algum tempo. “Apesar de os eventos sugerirem que estejamos diante do bóson de Higgs, a confirmação de que se trata realmente da partícula predita pelo Modelo Padrão requer mais medidas comparativas”, disse. “As intensidades do acoplamento do Higgs com as diferentes partículas (como os fótons) são previstas pelos modelos matemáticos e esse seria o teste definitivo. No entanto, isso ainda poderá levar um certo tempo já que requer que mais dados sejam coletados”, disse.
O Sprace teve participação ativa no experimento DZero do Fermilab, nos Estados Unidos, que operou até setembro de 2011, e vem desenvolvendo pesquisas junto à Colaboração CMS do Cern, com a qual já publicou mais de 130 trabalhos científicos.
O cluster do Sprace faz parte do Worldwide Computing Grid do LHC (WLCG) e, por meio de recursos concedidos pela Fapesp, acaba de agregar mais 64 nós de processamento e aumentar sua capacidade de armazenamento para 1 Petabyte. “O apoio da Fapesp, por meio do nosso Projeto Temático, tem sido decisivo para nossas atividades de análise de dados do LHC”, disse Novaes. No Brasil, pesquisadores e jornalistas acompanharam o evento em tempo real no laboratório computacional do Sprace, no IFT.
Cautela e confirmação
O bóson de Higgs é uma partícula instável, que sobrevive por uma pequena fração de segundo antes de decair em outras partículas. Por conta disso, as experiências só podem observar tal partícula pela medida dos seus produtos.
No Modelo Padrão, a teoria da física que descreve com extrema precisão a matéria, estima-se que o bóson de Higgs decaia em diferentes combinações de partículas, ou canais, sendo a distribuição entre tais canais dependente de sua massa.
Em 1967, o mecanismo teórico estipulado por Higgs foi incorporado pelo físico norte-americano Steven Weinberg em uma teoria para explicar as partículas elementares do Universo, denominada Modelo Padrão. Segundo o modelo, o Universo foi resfriado após o Big Bang, quando uma força invisível, conhecida como campo de Higgs, formou-se junto de partículas associadas, os bósons de Higgs, transferindo massa para outras partículas fundamentais.
Desde o lançamento da teoria, os cientistas vêm buscando descobrir a partícula, cujos sinais da presença dela são extraídos de uma grande quantidade de dados similares e a partir da produção de um grande número de eventos para se certificar da descoberta.
“É como tentar encontrar, literalmente, uma agulha no palheiro. É extremamente complexo extrair o sinal da existência da partícula”, disse Novaes. Segundo ele, a busca pela partícula só é possível de ser realizada graças ao desenvolvimento de novas tecnologias em diversas instituições de pesquisa em todo mundo.
“Dentro das incertezas estatísticas e sistemáticas, os novos resultados obtidos para os diferentes canais de pesquisa explorados são consistentes com as características do bóson de Higgs do Modelo Padrão. No entanto, para obter a confirmação de que a nova partícula tem todas as propriedades previstas para o bóson de Higgs ou de modo a se estabelecer se alguma(s) das propriedades difere(m) do esperado, apontando para nova física para lá do modelo padrão, será necessário tomar mais dados”, destaca comunicado do experimento CMS.
“Os novos dados de 2012 e os dados gerados pelo acelerador melhorado permitirão aos cientistas investigar as questões sobre o Higgs levantadas pelo anúncio de hoje (04/07), bem como outras questões fundamentais para o avanço do conhecimento sobre a natureza”, disse comunicado do experimento Atlas.
Para se encontrar as partículas elementares, dois prótons, elementos formadores dos núcleos dos átomos junto aos nêutrons, são acelerados com um alto nível de energia e se chocam. Nessa colisão, podem ser formadas partículas pesadas (com alto nível de energia). Esse conjunto de elementos formados constitui um evento.
A nova partícula encontrada está localizada em eventos com massa de cerca de 125 GeV (ou 126 GeV). Massas inferiores já haviam sido excluídas por outros experimentos do Cern no mesmo nível de confiança. O LHC continua a fornecer novos dados a uma alta velocidade. Até o final de 2012, o CMS espera mais do que triplicar a quantidade de dados acumulados até hoje. “Esses dados permitirão ao CMS elucidar a natureza desta partícula recém-observada”, disse Novaes.
Impactos da descoberta
De acordo com Sergio Morais Lietti, pesquisador do Sprace, a descoberta da partícula foi possível em função do acúmulo de dados gerados e ao aumento da carga de energia do LHC nos últimos anos.
Entre 2010 e 2011, o acelerador de partículas operou com uma energia de centro de massa entre prótons da ordem de 7 TeV (trilhões de elétrons-volt). Já no período de 2011 a 2012, a energia do LHC foi aumentada para 8 TeV, o que possibilitou aumentar as chances de se produzir o bóson de Higgs.
“Quanto mais energia há no centro de massa entre os prótons no acelerador, maiores também são as chances de se produzir bóson de Higgs”, disse Lietti à Agência Fapesp. Segundo ele, a eventual confirmação da nova partícula como bóson de Higgs não representará o fim dos estudos sobre a física de partículas, mas sim um começo de trabalhos de pesquisa na área.
Se for confirmado que a partícula é o bóson de Higgs, destaca Lietti, será preciso estudá-la com grande precisão e estatística para aprimorar o Modelo Padrão.
Apesar de ser considerada extremamente bem-sucedida por prever uma série de fenômenos físicos que foram observados experimentalmente, além de outros que até então não tinham sido observados, a teoria, proposta na década de 1960, ainda apresenta lacunas. Uma delas é não se preocupar em descrever a força gravitacional, que é muito mais fraca do que as outras duas forças fundamentais (a forte e a fraca).
Se for descartada a hipótese de que a partícula é o bóson de Higgs, será preciso rever o Modelo Padrão. “Se a partícula for completamente diferente do bóson de Higgs, melhor ainda. Significará que o Modelo Padrão precisa sofrer ajustes”, avaliou Lietti.
A teoria vem sendo testada desde que foi postulada em diversos aceleradores de partículas que foram construídos nas últimas décadas, como o LHC do Cern, que foi projetado ao custo de US$ 10 bilhões para aumentar as chances de descoberta do bóson de Higgs.
Em 1983, foram descobertas no acelerador SPS do Cern os bósons Z e W, previstos pelo Modelo Padrão. E, em 1989, foi criado na instituição de pesquisa o Grande Colisor de Elétrons e Pósitrons (LEP), com o objetivo de produzir diversos bósons Z para possibilitar estudar as características da partícula com precisão, para aprimorar a teoria.
Em 1967, foi construído o acelerador de partículas Tevatron no Fermilab, nos Estados Unidos, que é maior do mundo depois do LHC. Nele, foi descoberto na década de 1990 o quark top – outra partícula elementar prevista pelo Modelo Padrão, que representou a última grande descoberta na área de física das partículas.
O bóson de Higgs representa a última peça para completar o “quebra-cabeça” do espectro de partículas descritas pelo Modelo Padrão e que poderá ser completado com a descoberta da nova partícula. “A descoberta anunciada agora pode ser a mais importante da física de partículas nos últimos 40 anos”, disse Lietti.
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[Elton Alisson, repórter da Agência Fapesp]