Muitos de nós ensinamos na escola ou em livros que todos os materiais ao nosso redor - tudo o que comemos, bebemos, respiramos, todos os seres vivos, a própria Terra - são constituídos por átomos. Existem cerca de 100 tipos deles, eles são chamados de "elementos químicos" e geralmente são organizados na forma de moléculas, assim como as letras podem ser organizadas em palavras. Tomamos esses fatos a respeito de nosso mundo como garantido, mas no final do século XIX ainda havia um acalorado debate sobre isso. Somente na região de 1900, quando, com base em várias conclusões, tornou-se possível calcular o tamanho dos átomos, e quando um elétron foi descoberto, uma partícula subatômica que habita as bordas dos átomos, a imagem atômica do mundo finalmente tomou forma.
Mas ainda hoje algumas partes desta imagem não são claramente visíveis. Os quebra-cabeças permanecem sem solução há cem anos. E todo esse hype sobre o "bóson de Higgs" está diretamente conectado a essas questões profundas que estão no coração de nossa existência. Em breve, as partes desfocadas de nossa imagem se tornarão mais claras e revelarão detalhes sobre nosso mundo que ainda não estão claros para nós.
Na escola, ensinamos que a massa de um átomo se deve principalmente ao seu pequeno núcleo. Os elétrons que formam uma nuvem nebulosa ao redor do núcleo contribuem para essa massa não mais que um milésimo de sua parte. Mas o que eles geralmente não nos dizem, a menos que estudemos a física em profundidade, é que o tamanho de um átomo depende principalmente da massa do elétron. Se você pudesse de alguma forma reduzir a massa de um elétron, descobriria que os átomos cresceram e se tornaram mais frágeis. Reduza a massa de um elétron mil vezes, e os átomos se tornarão tão frágeis que até o calor restante do Big Bang poderá destruí-los. Portanto, toda a estrutura e existência de materiais comuns está conectada a uma pergunta aparentemente esotérica: por que os elétrons têm massa?
A massa do elétron e sua origem foram confundidas pelos físicos desde sua primeira medição. Muitas descobertas relacionadas a outras partículas aparentemente elementares feitas nos últimos cem anos complicaram e enriqueceram esse enigma. Primeiro, verificou-se que a luz também consiste em partículas chamadas fótons, que não têm massa. Então, o núcleo atômico consiste em partículas chamadas quarks, que possuem massa. Recentemente, descobrimos sinais de que os neutrinos, partículas indescritíveis que se deslocam nos rebanhos das entranhas do sol, também têm uma massa, embora muito pequena. Portanto, a pergunta sobre o elétron passou para a categoria de questões maiores: por que partículas, como elétrons, quarks e neutrinos, têm massa, mas os fótons não?
Em meados do século passado, os físicos aprenderam a escrever equações que preveem e descrevem o comportamento dos elétrons. Embora eles não soubessem de onde a massa do elétron veio, eles descobriram que era fácil incorporar essa massa nas equações manualmente e decidiram que uma explicação completa de sua origem apareceria algum tempo depois. Mas quando se aprofundaram no estudo da fraca interação nuclear, uma das quatro conhecidas na natureza, tiveram um problema sério.
Os físicos já sabiam que as forças elétricas estão associadas aos fótons e depois perceberam que a interação fraca está associada às partículas chamadas "W" e "Z". Mas, ao mesmo tempo, as partículas W e Z diferiam do fóton na forma de massa - são comparáveis em massa com o átomo de estanho, mais de cem mil vezes mais pesado que o elétron. Infelizmente, os físicos descobriram que não podiam incorporar manualmente as massas das partículas W e Z nas equações: as equações resultantes davam previsões sem sentido. E, quando estudaram como a interação fraca afeta elétrons, quarks e neutrinos, descobriram que a maneira antiga de introduzir massa nas equações não funciona - isso também quebra todo o sistema.
Novas idéias foram necessárias para explicar como partículas elementares conhecidas podem ter massa.
Esse mistério se manifestou gradualmente nas décadas de 1950 e 1960. E no início dos anos 60, surgiu uma possível solução - aqui encontramos Peter Higgs e outros (Braut, Englert, Guralnik, Hagen e Kibble). Eles propuseram o que chamamos de "mecanismo de Higgs". Suponhamos, dizem eles, que na natureza exista outro campo ainda desconhecido - como todos os campos, é uma certa substância que existe em todas as áreas do espaço - diferente de zero e homogênea em todo espaço e tempo. Se este campo - agora chamado campo de Higgs - for do tipo certo, sua presença fará com que as partículas W e Z exibam massa e também permitirá que os físicos retornem a massa de elétrons às equações. Isso ainda adiará a questão de por que a massa do elétron é tal, mas pelo menos será possível escrever equações nas quais a massa do elétron não é igual a zero!
Nas décadas que se seguiram, a idéia do mecanismo de Higgs foi testada de várias maneiras. Hoje, a partir de estudos detalhados das partículas W e Z, sabe-se que a solução para o quebra-cabeça que surgiu devido à fraca interação está em algum lugar nessa área. Mas os detalhes desta história são desconhecidos para nós.
O que é o campo Higgs, como entendê-lo? É invisível para nós e não sentimos isso, como uma criança não sente ar ou como um peixe - água. E ainda mais - porque se crescermos, começaremos a tomar consciência do fluxo de ar ao redor de nossos corpos e sentir com a ajuda do toque, nenhum de nossos sentimentos nos dá acesso ao campo de Higgs. Não apenas não podemos detectá-lo com a ajuda dos sentidos, como também não podemos fazê-lo diretamente com a ajuda de instrumentos científicos. Então, como podemos ter certeza de que ela existe? E como podemos esperar aprender algo sobre ele?
A analogia entre o ar e o campo de Higgs funciona bem no exemplo a seguir: se você perturbar uma dessas duas mídias, elas vibrarão e criarão ondas. É fácil criar essas ondas no ar - você pode gritar ou bater palmas - e então nossos ouvidos encontrarão essas ondas na forma de som. Em um campo de Higgs, criar ondas é cada vez mais difícil de observar. Para fazer isso, você precisa de um acelerador de partículas gigante, o Large Hadron Collider. E para detectá-los, você precisa de ferramentas científicas do tamanho de uma casa, por exemplo, ATLAS ou CMS.
Como isso funciona? Palmas é certo para criar ondas sonoras altas. A colisão de dois prótons de alta energia no LHC criará ondas de Higgs muito silenciosas, embora não necessariamente - isso levará a apenas uma colisão de dez bilhões. A onda resultante será a onda mais silenciosa possível no campo Higgs (em termos técnicos, um quantum desse tipo de onda). Chamamos essa onda de "partícula de Higgs" ou "bóson de Higgs".
Às vezes, a mídia chama isso de "partícula de Deus". Esse termo foi cunhado por um editor para vender melhor seu livro, por isso vem de publicidade, não de ciência ou religião. Os cientistas não usam esse termo.
Criar uma partícula de Higgs é apenas parte do processo e é relativamente fácil. É muito mais difícil encontrá-lo. As ondas sonoras viajam livremente das palmas das mãos pela sala até o ouvido da outra pessoa. E a partícula de Higgs se desintegra em outras mais rapidamente do que você pode dizer o bóson de Higgs. De fato, mais rápido do que a luz leva para passar o diâmetro de um átomo. O ATLAS e o CMS medem apenas os remanescentes da partícula de Higgs explodida o mais cuidadosamente possível e tentam retroceder o que aconteceu, como detetives revelando o caso em evidência para determinar se a partícula de Higgs poderia se tornar a fonte desses resíduos.
Na verdade, ainda é mais complicado. Não basta criar uma partícula de Higgs, pois seus remanescentes não podem ser distinguidos. Freqüentemente, a colisão de dois prótons leva ao aparecimento de fragmentos semelhantes aos resultantes da decomposição de uma partícula de Higgs. Então, como estabelecemos que uma partícula de Higgs surgiu? A chave é que, embora as partículas de Higgs sejam raras, seus detritos aparecem com bastante regularidade, enquanto outros processos ocorrem com frequência, mas de maneira mais aleatória. Da mesma forma que seu ouvido pode reconhecer uma voz cantada, mesmo com forte interferência no rádio, os experimentadores podem distinguir o toque regular do campo de Higgs entre a cacofonia aleatória criada por outros processos semelhantes.
Acionar tudo isso é extremamente difícil e difícil. Mas isso foi feito no quadro do triunfo da engenhosidade humana.
Por que, então, se envolver em tais façanhas hercúleas? Devido à extrema importância do campo de Higgs para nossa própria existência. Somente nossa ignorância sobre sua origem e propriedades pode ser comparada com essa importância em tamanho. Nem sabemos se existe um desses campos; pode haver vários. O campo Higgs pode ser ele próprio composto por outros campos. Não sabemos por que é diferente de zero, e não sabemos por que interage de maneira diferente com partículas diferentes e, por exemplo, fornece a um elétron, a massa é completamente diferente da do quark superior. Como a massa desempenha um papel importante não apenas na determinação do tamanho dos átomos, mas também em muitas outras propriedades da natureza, nossa compreensão do Universo e de nós mesmos não pode ser completa e satisfatória, desde que o campo de Higgs permaneça tão misterioso. O estudo das partículas de Higgs - ondas em um campo de Higgs - nos dará um conhecimento profundo sobre a natureza desse campo, assim como você pode aprender sobre o ar das ondas sonoras, sobre uma pedra - estudando terremotos e sobre o mar - observando as ondas na praia.
Alguns de vocês provavelmente (e com razão) perguntam: tudo isso é muito inspirador, mas que benefício isso pode trazer para a sociedade em um sentido prático? Você pode não gostar da resposta. A história mostrou que os benefícios sociais da pesquisa de questões fundamentais podem não aparecer por décadas, mesmo um século. Eu suspeito que você usou um computador hoje. Duvido que, quando Thompson descobriu elétrons em 1897, alguém em seu círculo pudesse imaginar o quanto a eletrônica poderia mudar a sociedade. Não esperamos introduzir a tecnologia do próximo século, ou como o conhecimento aparentemente esotérico adquirido hoje pode afetar o futuro distante. Investir em pesquisa básica é sempre uma aposta, mas baseada no conhecimento. Na pior das hipóteses, aprendemos algo profundo e inesperado na natureza. Esse conhecimento, embora não seja valioso em termos monetários, não tem preço em ambos os sentidos.
Por uma questão de brevidade, simplifiquei algo. Nem tudo tinha que ser assim. Era possível que as ondas no campo de Higgs não pudessem ser detectadas - poderia ser uma reminiscência de uma tentativa de criar ondas em um lago de asfalto ou em xarope espesso. As ondas podem desaparecer antes de serem totalmente formadas. Mas sabemos o suficiente sobre partículas da natureza para saber que essa opção só seria possível se houvesse outras partículas e interações não descobertas - e algumas delas certamente poderiam ser encontradas no LHC. A (s) partícula (s) de Higgs poderia existir, mas de uma maneira que seria muito mais difícil de produzir, ou poderia se desintegrar de alguma maneira inesperada. Em todos esses casos, poderia levar vários anos até que o campo de Higgs começasse a revelar seus segredos. Estávamos prontos para esperar, embora esperássemos que não precisássemos explicar à mídia todas essas dificuldades.
Mas estávamos preocupados em vão.
A descoberta da partícula de Higgs é um ponto de virada na história. O triunfo daqueles que propuseram o mecanismo de Higgs e dos que trabalham no LHC, ATLAS e CMS. Mas isso não significa a conclusão de nossos enigmas associados à massa de partículas conhecidas - este é apenas o começo de nossa esperança de resolver esses enigmas. No futuro, a energia e o número de colisões no LHC aumentarão, e o ATLAS e o CMS estudarão abrangente e sistematicamente a partícula de Higgs. O que eles aprendem pode nos permitir resolver os mistérios desse oceano produtor de massa, no qual todos nadamos, e nos direcionar ainda mais ao longo do caminho épico que começou há mais de cem anos atrás, que pode levar décadas e séculos e se estende além do atual horizontes.