O campo de Higgs é um tópico tão importante que até merece todo um complexo experimental, o Large Hadron Collider, projetado para estudá-lo. Este campo misterioso é, em média, diferente de zero, cobre todo o Universo, como se fosse um líquido invisível, e afeta as massas de partículas elementares conhecidas. Mas e se fosse uma média de zero? Como seria o nosso mundo?
Seria
mortal para nós - não haveria átomos -, mas, em certo sentido, seria muito mais simples e melhor organizado. Vamos ver exatamente.
Fig. 2Tire uma foto. 2 de um
artigo sobre partículas conhecidas (deve ser lido antes deste artigo). Ele descreve as conhecidas partículas elementares da natureza e o Higgs do Modelo Padrão. Linhas indicam quais partículas se influenciam. Você pode ver três das quatro interações conhecidas da natureza (a gravidade é excluída para maior clareza): interação forte (com glúons como portadores), eletromagnetismo (portador - fóton), interação fraca (portadores - W e Z). Pode-se observar que neutrinos, leptões carregados e quarks não interagem diretamente entre si, são afetados apenas por portadores de interação. E, finalmente, o campo de Higgs, diferente de zero em nosso Universo, indicado pelo campo verde, afeta todas as partículas elementares massivas conhecidas e, de fato, é responsável pela presença de massa.
Fig. 3Compare isso com a fig. 3, que descreve o mundo de partículas que existiriam se o campo de Higgs fosse zero. Observe com cuidado e você verá muitas diferenças!
• Em vez das interações eletromagnéticas e fracas existentes em nosso mundo com um campo de Higgs diferente de zero, em um mundo com um campo zero essas forças seriam redistribuídas e distorcidas. Forças convertidas são chamadas de hipercarga e isospina (por razões históricas; os nomes não têm significado).
• Durante esse rearranjo, as partículas portadoras das interações também mudam. Apareceram 3 partículas W e um X, e Z0 e o fóton desapareceram. E as partículas W e X agora não têm massa.
• As operadoras de interação se tornaram mais fáceis em outro sentido. O fóton afeta as partículas W
+ e W
- diretamente; isso é visto na fig. 2, onde estão conectados por uma linha roxa. Mas as partículas de X não afetam diretamente as partículas de W. Os glúons se afetam como antes (a linha curva vermelha; W também se afeta; X não afeta nenhum portador de interação.
• Para cada partícula de matéria (exceto neutrinos) agora existem duas partículas com o mesmo nome. Mas eles diferem - tanto quanto
Arnold Palmer e Arnold Schwarzenegger. Os físicos criaram vários sistemas de nomes para eles, mas o quark superior com qualquer nome terá o mesmo "sabor", então eu marquei a diferença entre eles girando as letras para a direita ou esquerda. Podemos chamá-los superior esquerdo e superior direito.
• Todas as partículas esquerdas vêm em pares, um par para cada geração, e estão sujeitas à influência da interação isospina. O elétron corresponde ao neutrino-e (elétron neutrino), o quark superior - o quark inferior, etc.
• As partículas à direita estão sozinhas, uma para cada geração, e a isospina não as afeta.
• Neutrino foi deixado apenas.
• Na fig. 2 Observei neutrino-1, neutrino-2 e neutrino-3, mas na fig. 3 Uso os nomes elétron-elétron neutrino, muon neutrino e tau neutrino. Essa sutileza pode ser ignorada se você não estiver interessado no tópico em profundidade. Caso contrário, você pode ler um artigo sobre os tipos de neutrinos e suas oscilações.
• Todas as partículas representadas serão sem massa - exceto as partículas de Higgs, que serão até quatro! (E este é o mínimo - no Modelo Padrão, onde a versão mais simples dos campos de Higgs é usada, existem quatro, mas, em princípio, tudo pode ser mais complicado).
Como um campo de Higgs diferente de zero afeta esse mundo mais simples e melhor organizado (mas inadequado para a vida toda) e o transforma em nosso complexo? O problema é como o campo de Higgs interage com portadores de interações de isospina e hipercarga e com partículas de matéria. Como isso funciona, por exemplo, com o quark superior, é mostrado na Fig. 4 e 5. O quark superior esquerdo e o superior direito interagem entre si por forte interação e a partícula de Higgs - mas não com outras partículas de matéria. Em particular, se o quark superior esquerdo encontrar a partícula de Higgs, é provável que ele se transforme no canto superior direito. Assim que o campo Higgs se tornar diferente de zero, essa interação levará ao fato de que duas versões dos quarks superiores sem massa se transformam em um maciço superior, que ao mesmo tempo possui uma grande massa.
Fig. 4A conexão do canto superior esquerdo com o canto superior direito não deve ser confundida com a união de duas partículas em um objeto composto, como um próton e um elétron, conectados por força eletromagnética e formando um átomo de hidrogênio. Este é outro tipo de combinação em que duas partículas elementares são misturadas em uma partícula elementar.
Fig. 5Como isso funciona? Na fig. 5 mostra este diagrama. Quando o campo Higgs é zero, a partícula superior esquerda se move à velocidade da luz, bem como a parte superior direita. Mas quando o campo não é igual a zero, sua presença e o fato de ele interagir com as partículas superior esquerda e superior direita farão com que a partícula superior esquerda se transforme na parte superior direita e vice-versa. Quantas vezes isso vai acontecer? Cerca de 100 trilhões de trilhões (100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) por segundo. Esse processo de transformação torna impossível considerar as partículas superiores esquerda e superior direita como entidades separadas, uma vez que elas estão inextricavelmente ligadas; se você tiver um, outro aparecerá em breve. Você não terá os dois ao mesmo tempo, por que o quark superior permanece uma partícula elementar e não uma partícula composta. Juntas, essa mistura de duas partículas pode ser chamada de quark superior. E o campo Higgs diferente de zero, cuja presença o faz saltar entre os estados superior esquerdo e superior direito, também fornece energia interna a essa estrutura, disponível mesmo em repouso. Essa energia é indistinguível da energia de massa (E = mc
2 ); em experimentos, ela se comporta exatamente da mesma maneira. Em outras palavras, o que chamamos de energia da massa do quark superior é, de fato, a energia recebida por ele quando o campo de Higgs está dentro de um campo diferente de zero. Retire o campo Higgs, coloque-o em zero, e o quark superior retornará ao estado de duas partículas sem massa separadas, a esquerda superior e a direita superior.
O mesmo fenômeno dá massa ao elétron, mas a interação dos elétrons esquerdo e direito com o campo de Higgs é muito fraca, portanto, na presença de um campo de Higgs diferente de zero, o elétron tem uma massa, mas relativamente pequena. A frequência de comutação entre os elétrons esquerdo e direito é de 0,000003 da frequência de comutação entre os quarks superior esquerdo e superior direito; portanto (um pouco de matemática se aplica), obtemos que a massa de elétrons é 0,000003 da massa do quark superior.
Fig. 6Todos os outros quarks e leptões carregados recebem suas massas de maneira semelhante. Quanto mais forte a interação dos objetos esquerdo e direito com Higgs, maior a massa resultante do objeto misto com um campo Higgs diferente de zero.
E as operadoras de interação? Higgs não afeta os glúons, mas mistura isospina e hipercarga, criando um fóton a partir de uma mistura de W
3 e X, Z
0 a partir de outra mistura de W
3 e X, e uma partícula de Higgs chamada A
0 , e também W
+ e W a partir de misturas de W
1 , W
2 , H
+ e H
- . Esse processo, chamado mecanismo de Higgs, torna W
+ , W
- e Z
0 maciços, deixando o fóton sem massa.
Sim, é por isso que o mundo com um campo de Higgs diferente de zero permanece com uma partícula de Higgs (h), enquanto o mundo com um campo de zero possui 4 partículas - H
+ , H
- , A
0 e H
0 . Assim como os quarks superior esquerdo e superior direito são misturados para formar um maciço superior, três partículas Higgs adicionais se misturam com três misturas de partículas sem massa W e X, formando Z
0 , W
+ e W
- maciços.
Fig. 7A interação, cuja transportadora tem massa, a longas distâncias é ineficaz, de modo que as forças nucleares nos parecem tão fracas. Se o campo de Higgs fosse zero, a isospina e a hipercarga seriam igualmente fortes. Em vez disso, em nosso mundo há uma forte interação eletromagnética com um fóton sem massa como transportadora e uma fraca interação nuclear, tão fraca que praticamente não tem efeito em nossas vidas diárias - embora, no entanto, seja necessário para a operação de fornalhas de estrelas, incluindo a solar!
A razão pela qual o mundo parece tão complexo, porque todas essas partículas com massas muito diferentes existem, é parcialmente devida ao fato de o campo de Higgs e a partícula de Higgs interagirem com diferentes partículas de matéria com forças muito diferentes. Portanto, o problema de diversas massas de partículas é na verdade um problema de diferentes forças de interação com o campo / partícula de Higgs. Por que essas interações são tão diferentes? Não há consenso sobre a resposta a essa pergunta (os especialistas em física de partículas o chamam de “problema do aroma” - falando de aromas de quarks e elétrons, múons e leptons carregados de tau com diferentes aromas). Esperamos que algumas respostas nos possam ser dadas pelo LHC - mas não há garantias para isso.
Ainda há uma pergunta - como os neutrinos conseguem sua massa? A resposta é que não sabemos ao certo. Uma das possibilidades - a existência de neutrinos destros na natureza - é muito difícil de encontrar experimentalmente, uma vez que não é afetada por nenhuma das três interações mostradas na Fig. 2 e 3 - e o mecanismo de aquisição da massa de neutrinos é o mesmo de outras partículas. A segunda possibilidade é que os neutrinos canhotos recebam massa da interação indireta com uma partícula de Higgs, que não funciona com outras partículas. Muitos de meus colegas estão inclinados para a segunda opção, uma vez que explicaria naturalmente por que os neutrinos são muito mais leves que os quarks e os léptons carregados. Mas essa é uma longa história.
Vou terminar em um ponto importante. Muitas pessoas, depois de se familiarizarem com a história do campo de Higgs, sugerem que ele deveria estar de alguma forma conectado com a gravidade, que também interage melhor com partículas mais pesadas do que com menos pesadas. A gravidade puxa os quarks superiores com mais força do que os elétrons, como as forças de Higgs. Mas físicos experientes rejeitam essa idéia. Porque
A conclusão é que não há exceções para a gravidade - a gravidade sempre atrai partículas na proporção de sua massa. (Na verdade, isso não é inteiramente verdade - a gravidade atrai partículas proporcionalmente às suas energias. Na vida cotidiana, a energia de qualquer objeto é principalmente a energia da massa, E = mc
2 , portanto, para pessoas, pedras e estrelas, energia e massa são quase proporção exata, mas a gravidade e a luz se curvam! Se a gravidade atraísse apenas massa, ela não atrairia luz composta por fótons sem massa).
Pelo contrário, apenas as partículas que recebem massa do campo de Higgs têm uma relação entre sua massa e a força da interação com Higgs. Em particular, como pode ser visto na Fig. 3 e 7, uma partícula de Higgs não recebe toda a sua massa de um campo de Higgs diferente de zero - e sua força de interação consigo mesma não está diretamente relacionada à sua massa. Existe uma correlação, mas não uma proporção. Este não é um caso tão raro. Nos meus outros artigos, você verá muitos exemplos de partículas hipotéticas que obtêm sua massa de maneira diferente - por exemplo, partículas que aparecem em teorias como supersimetria ou medições complicadas adicionais.
Portanto, a conexão entre gravidade e energia (e, portanto, massa na vida cotidiana) é absoluta, enquanto a conexão entre Higgs e massa deve existir apenas para partículas elementares conhecidas, e pode não estar em outras partículas elementares, as quais ainda hoje encontrado - mas essa conexão não é mais confirmada para a partícula de Higgs.
Em outras palavras, qualquer coincidência entre o campo de Higgs e a gravidade será puramente aleatória!