Bóson de Higgs é visto se transformando em duas partículas diferentes

Graças à colaboração entre dois experimentos no Large Hadron Collider (LHC), cientistas viram a primeira evidência de um comportamento raro do bóson de Higgs: o decaimento em bósons Z e fótons. O resultado ajuda a confirmar as previsões do Modelo Padrão de partículas, que descreve o mundo quântico.

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O que é o bóson de Higgs?

O bóson de Higgs é a partícula fundamental do campo de Higgs e sua descoberta foi anunciada oficialmente em 2013, apesar de já ter sido prevista em 1964 por Peter Higgs e François Englet. Juntos, eles explicam como as partículas do universo ganham massa.

Eles também resolveram um grande mistério sobre bósons W e Z, partículas portadoras de força fraca que emergem sem massa alguma, mas logo apresentam massa quase 100 vezes equivalente à de um próton. Segundo as teorias de Higgs e Englet, isso ocorre graças à interação dos bósons com o campo de Higgs.

Uma analogia útil para compreender o conceito é a imagem de uma piscina fazendo o papel do campo de Higgs, enquanto as partículas são representadas por um nadador. Para nadar, o atleta precisa aplicar uma certa quantidade de energia, pois a água oferece resistência, e ocorre algo semelhante com as partículas.

Conforme Albert Einstein demonstrou em sua famosa fórmula E=mc², massa e energia são diferentes manifestações da mesma coisa, ou seja, a energia aplicada pelas partículas para “nadar” no campo de Higgs pode se converter em massa — e é exatamente isso o que acontece.

Elétrons sempre precisam de determinada energia para interagir com o campo de Higgs, então sempre vão ter a mesma massa (0.51 MeV/c², o que é 1.836 vezes menor que a dos prótons e nêutrons). Prótons, por sua vez, são formados por 2 quarks up (de massa igual a 2.16 MeV/c²) e 1 quark down (67 MeV/c²). Já os fótons não interagem com o campo de Higgs, e por isso não possuem massa.

Decaimento em bóson Z e fóton

Os experimentos ATLAS e CMS, que ocorrem no LHC, uniram forças para tentar encontrar evidências do decaimento do bóson de Higgs em um bóson Z (o portador eletricamente neutro da força fraca) e um fóton. O novo estudo utilizou os conjuntos de dados coletados por ambos os experimentos entre 2015 e 2018.

Decaimentos de partículas são mais ou menos como suas “mortes”, mas, no universo, nada desaparece, e sim se transforma. No caso das partículas, um decaimento dá origem a outras, e o mesmo vale para o bóson de Higgs. A teoria do Modelo Padrão prevê que ele deve decair em um bóson Z e um fóton, por meio de um loop intermediário de partículas "virtuais".

Essas partículas virtuais surgem e se destroem mutuamente, deixando algo para trás. Elas não existem no conceito literal da palavra, e são “detectadas” apenas na matemática dos decaimentos. Ou seja, não podem ser observadas, embora ocorram sempre que uma partícula surge por meio do decaimento de uma “progenitora” — como é o caso do bóson Z e o fóton emitidos pelo decaimento do Higgs.

Segundo a previsão do Modelo Padrão, se o bóson de Higgs tiver uma massa de cerca de 125 bilhões de elétron-volts, 0,15% deles vão decair em um bóson Z e um fóton. Entretanto, alguns estudos sugerem uma taxa de decaimento diferente, de modo que medir o número exato é fundamental para refinar o Modelo Padrão.

Apesar dessa evidência observada pelos autores do novo estudo, ainda é cedo para afirmar com convicção que o decaimento em um bóson Z e um fóton é mesmo real. Isso porque a observação tem um grau de certeza inferior ao nível 5 sigma, o padrão de ouro da ciência para determinar a confiança do sucesso de uma observação.

O nível atingido pelos autores foi de sigma 3,4, então ainda existe algum grau de incerteza de que as observações são confiáveis ou se podem ser fruto de algum ruído nos dados ou algum outro comportamento inesperado.

Para refinar essa pesquisa e obter um sigma 5, serão necessários novos experimentos no LHC, o que deve ocorrer logo, assim que os dados de sua terceira execução forem coletados pelos experimentos ATLAS e CMS. Se tudo for confirmado, incluindo os 0,15% de decaimento do Higg em um Bóson Z e um fóton, evidências indiretas da existência de partículas inéditas podem ser obtidas.

Fonte: CERN