O bóson de Higgs: teorias novas à vista?
Autor: Roberto Belisário | Publicado: 2012-07-15T19:34:00-07:00




Os
 cientistas procuraram avidamente o bóson de Higgs para verificar uma 
previsão teórica chave do Modelo Padrão - como é chamada a teoria atual 
da física das partículas subatômicas (a propósito, se você não tem a 
mínima ideia do que seja o bóson de Higgs, talvez os primeiros 
parágrafos deste texto
 do Ciências e Adjacências o ajudem). Parece que no último dia 4 o encontraram mesmo, em um 
aparelho de 9 bilhões de dólares, o LHC, em Genebra. A coisa 
interessante é que, ao invés de confirmar a teoria, ele pode estar 
dizendo que ela não está muito correta e, ainda por cima, mostrando como
 melhorá-la.



O caso é que parecem existir algumas 
discrepâncias entre as previsões do Modelo Padrão e o comportamento do 
Higgs esperado pela teoria. Elas estão justamente naquilo que identifica
 se a partícula detectada é mesmo o bóson de Higgs: o modo como ela 
"decai" - como se transforma em outras partículas. O bóson de Higgs não é
 constituído por partículas menores, ele é uma "partícula elementar"; 
porém, mesmo partículas elementares podem se transformar em conjuntos de
 outras partículas, que aparecem por transformação de energia em 
matéria.





Bóson de Higgs x Modelo Padrão



O
 bóson de Higgs é produzido dentro do LHC a partir de colisões entre 
prótons extremamente violentas. Porém, dura muito pouco tempo e decai em
 outras partículas antes mesmo que possa alcançar os detectores do 
aparelho. O que os detectores permitem observar são essas partículas 
secundárias; a partir delas (quais são e de quanto são suas energias), 
pode-se inferir informações preciosas sobre a partícula que as 
originou.



Bem, em que partículas o Higgs decai? Há várias possibilidades (chamadas tecnicamente "canais"). As principais são essas cinco:

Um quark bottom e um antiquark bottom
Um partícula tau e uma antitau
Um par de fótons
Uma partícula W e uma antipartícula W
Um par de partículas Z&nbsp; 


Não se assustem com os nomes; são apenas membros da pequena 
fauna de partículas elementares disponíveis na Natureza. O importante é 
que são cinco "canais" e cada um contém um par de partículas. Para ser 
preciso, a maioria delas 
também decai em outras "terciárias" e essas, sim, serão detectadas. Pois
 bem, as energias dessas partículas secundárias (e "terciárias") 
deveriam coincidir razoavelmente com as previstas pela teoria, certo? 
Mas veja só a figura abaixo, que mostra as distâncias entre os dados 
encontrados pelo LHC e as previsões teóricas. A previsão teórica é 
representada pela barra verde vertical; os resultados experimentais são 
os quadrados pretos.




&nbsp;Resultados teóricos (linha verde) e experimentais (quadrados pretos)&nbsp;
do LHCpara os decaimentos do bóson de Higgs. Adaptado dos&nbsp;
slides do seminário de Joseph Incandela no&nbsp;
CERN, 04/07/2012, pág. 100. Link


Entendamos
 essa figura. Para os dois últimos casos (W e Z), os quadrados pretos 
caem dentro da faixa verde. Isso significa que os dados experimentais 
caíram dentro da "margem de erro" das previsões, de 68%. A margem de erro
 aqui funciona de modo análogo à margem de erro em pesquisas de eleições
 (se você compreender como funcionam as margens de erro de eleições, 
estará compreendendo também um importante aspecto das pesquisas sobre 
física, inclusive sobre o bóson de Higgs! Há uma boa explicação neste texto do Brasil Escola). No caso acima, fala-se em "nível de confiança"
 ao invés de margem de erro. Isso porque a interpretação corrente para 
ela é a seguinte: se o nível de confiança do resultado de um conjunto de
 dados experimentais é de 68%, significa que há 68% de probabilidade de 
esse resultado não ser uma coincidência fortuita, mas sim um aspecto 
concreto da realidade física. Bem, 68% não é nada tão grande; assim, 
cair um pouquinho fora dessa margem não é tão terrível. Mas a coisa muda
 de figura se cair muito fora.



A espessura da faixa verde indica o nível de confiança da previsão teórica; as barras vermelhas dos dois lados de cada quadrado preto indicam o nível de confiança dos resultados do LHC.
 Bem, os dados com W e Z parecem concordar bem com as previsões do 
Modelo Padrão, pois estão dentro do nível de confiança da teoria. Mas 
olhe só os outros. Parecem cair bem fora.



Na verdade, os 
dois casos de cima (bottom e tau) não são tão impressionantes, porque, 
segundo Joseph Incandela, ainda não há dados disponíveis em número 
suficiente para que esse resultado possa ser considerado preciso o 
bastante. Mas o LHC vai continuar funcionando e produzir dados mais 
confiáveis até o fim deste ano. Na analogia com a pesquisa eleitoral, 
seria o equivalente a entrevistar mais e mais pessoas, para diminuir a 
incerteza das previsões.





O trabalho do LHC até o fim do ano (ou um dos principais)





O que acontecerá é que, quanto mais dados, mais estreitas
 ficarão as barras vermelhas, pois maior o seu nível de confiança. Na 
verdade, o que realmente importa é se as barras vermelhas alcançam ou 
não a faixa verde (note que, no caso do tau, eles só encostam; já no 
caso do fóton, sequer chegam a tanto). Se, até o fim do ano, os 
quadrados ficarem onde estão, então as barras vermelhas se afastarão da 
faixa verde e a discrepância experimento-teoria ficará cada vez maior. 
Mas pode ser que até lá os quadrados pretos tenham se deslocado para 
dentro da faixa verde, indicando que sua estranha posição atual seja 
devida apenas a falta de precisão. Mas pode ser que não.



De qualquer 
forma, mesmo se o desvio 
sobreviver ao aumento da precisão, pode ser necessário fazer apenas 
alguma adaptação pequena na teoria, mantendo sua essência. Há inclusive várias alternativas já disponíveis, sendo uma das mais populares o Modelo Padrão Minimamente Supersimétrico (MSSM).





O caso do fóton, o terceiro de baixo para cima, é o mais 
problemático, porque ele é o que possui dados mais claros. Na verdade, 
os decaimentos do fóton, do W e do Z foram fundamentais para que se 
comprovasse que o bóson é mesmo o de Higgs, estando o fóton em primeiro 
lugar.



Mas falar de "distância grande" é muito vago; de 
quantos por cento estamos falando? É suficiente para culparmos a teoria?
 Na verdade, não. Citemos números. Quando a barra vermelha encosta na 
faixa verde, como no caso do tau, a probabilidade de o resultado 
experimental cair tão distante do teórico e mesmo assim a teoria 
ainda estar correta é de apenas 4,5%. Pode-se dizer que há 4,5% de 
chance de dados mais precisos no futuro levarem o quadrado preto do tau 
para dentro da faixa verde. Por outro lado, pode-se dizer que há 95,5% de chance de estarmos vendo sinais de fenômenos físicos desconhecidos. No caso do fóton, um pouco menos, pois está 
um pouco mais distante. 



Por isso, os cientistas estão 
cautelosos e preferem esperar novos dados. Pois, se 95,5% pode parecer muito, para os cientistas é muito pouco. Para se ter uma ideia, o 
padrão para se considerar uma descoberta como "certeza científica" 
é um nível de confiança de nada menos que 99,99995% (tecnicamente, 
diz-se um
 "nível de confiança de cinco sigmas" - o de 68%, é de um sigma; o de 
95%, usado em pesquisas eleitorais, é de dois sigmas). Há um longo 
caminho até alcançar esse número. Mas note que estou falando apenas dos 
experimentos de um dos dois grupos que obervaram o provável Higgs, o 
CDS. Há também o ATLAS, que observou resultados semelhantes (no início deste texto, aliás, há uma figura do detector do CDS - compare seu tamanho com o do homem vestido de azul ardósia na parte inferior).


Há ainda uma distância incômoda na massa medida do bóson de Higgs, de 125,3 GeV (gigaelétron-volts, uma unidade de medida de energia apropriada para partículas subatômicas, que pode também, com um pouco de "abuso de linguagem" corrente entre os físicos, ser usada para massa). A teoria não prevê, na verdade, a massa do bóson, mas ela contém uma relação entre ela e a massa de duas outras partículas, o W e o quark top (este observado apenas em 1995). A partir dessa relação e das massas dessas duas senhoras, a massa do bóson deveria ser de 94 GeV. Mas lembremos que o que importa não são tanto os números em si, mas as margens de erro ao seu redor. Nesse caso, o resultado do LHC caiu bem em cima do limite da margem de erro de um sigma da previsão "teórica". Tecnicamente, isso não invalida a teoria, mas alguns cientistas estão preocupados (ou excitados!) e esperam ansiosamente pelos dados mais precisos dos próximos meses.




Em busca dos cinco sigmas 





Voltando aos sigmas, o LHC demorou tanto para apresentar seus 
resultados em boa parte justamente porque esperava que os dados se acumulassem o 
suficiente para alcançarem os cinco sigmas de confiabilidade para a 
existência do bóson de Higgs. Quando Incandela, visivelmente nervoso, fez seu seminário no dia
 4, foi apresentando os dados do decaimento do Higgs em fótons, depois 
para o decaimento nas partículas Z, depois nas W - e, à medida que ia 
avançando, o nível de confiança estatístico aumentava, pois a possibilidade de a 
concordância com as previsões teóricas serem apenas coincidência ficava 
obviamente cada vez menor. Quando chegou no Z, o nível de confiança 
alcançou 5 sigmas. Nesse momento, ele foi interrompido por uma salva de 
aplausos que pareciam não querer terminar nunca. Os cientistas presentes
 haviam compreendido que aquilo significava, finalmente, a tão esperada 
descoberta do Higgs.



Incandela teve que interromper os aplausos 
continuando a falar. O vídeo está no Youtube,
 que inclui também o seminário de Fabiola Gianotti, do ATLAS (e, no 
final, um depoimento do próprio Peter Higgs, um dos cientistas que 
previram a existência do bóson com seu nome). No entanto, quando 
Incandela terminou de falar sobre os outros dois decaimentos, o nível de
 confiança havia baixado para 4,9 sigmas, porque os gráficos para o 
quark bottom e para a partícula tau não pareciam apontar qualquer 
relação com o bóson de Higgs. "Provavelmente devido a baixa 
estatística", argumentou o cientista (ou seja, devido a poucos dados).



Esperemos.
 No fim do ano, deveremos ter o Modelo Padrão corroborado ou então 
interessantíssimos e excitantes desvios que poderão apontar para 
fenômenos físicos ainda desconhecidos.

Obs.: Quem me deu a dica dessas discrepâncias foi a física Mara Senghi Soares, brasileira piracicabana, pesquisadora do Centro de Investigaciones Energeticas Medioambientales y Tecnologicas (CIEMAT), em Madrid, e que colabora com o LHC via CMS.