Bóson de Higgs: "A Partícula de Deus"

   Nos últimos dias, vi algumas nóticias sobre os últimos resultados apresentado pelo CERN (Centro Europeu de Pesquisas Nucleares), onde algumas manchetes se mostravam mais otimistas, dizendo "Cientistas dizem ter encontrado sinais da existência da "Partícula de Deus" e outras nem tanto dizendo que apenas foram encontradas algumas evidências que precisam ser analisadas mais profundamente. Mas a perguntas fica, que diabos é o Bóson de Higgs, e porque é chamado de Partícula de Deus?!?!?!

     Para entendermos melhor esses conceitos, vamos fazer uma rápida revisão. De que o mundo é feito? Essa pergunta que intriga a todos, desde os mais remotos tempos, resultou em muitas hipóteses e teorias. Na grécia antiga Tales de Mileto acreditava que tudo era formado pela água e suas mutações (640–562 a.C.), ou pela substância estranha Apeiron, de Anaximandro (611 – 545 a.C.). Só com Empédocles (492–432 a.C.) nasce a idéia de que quatro elementos fundamentais compunham tudo o que podíamos observar: a terra, o fogo, o ar e a água (teoria adotada posteriormente por Aristóteles também). Eram os quatro elementos primordiais. Acreditava-se que a matéria seria infivitamente divisível. O primeiro a contestar essa idéia foi Demócrito que disse que toda matéria pode ser dividida até chegar em um ponto que se encontraria a parte mais fundamental e indivisível da matéria a que deu o nome de átomo (que não se pode dividir). Ele dizia que o átomo não poderia ser criado ou destruído e que toda a matéria conhecida seria formada por diversas combinações de diferentes átomos.

     Aristóteles apresentou duas sérias objeções a essa teoria atomista. Em primeiro lugar, se um átomo não possui absolutamente nenhum espaço vazio em seu interior, isso significa que esse átomo é contínuo e, portanto, tem de ser divisível. Segundo Aristóteles, aquilo que é contínuo é, por definição, infinitamente divisível. Os filósofos adotaram o o modelo atômico de Aristóteles, da matéria contínua, que foi seguido pelos pensadores e cientistas até o século XVI d.C. No início do séc XIX, o professor da universidade inglesa New College de Manchester, John Dalton, criou a primeira teoria atômica moderna. Em 1803 Dalton publicou o trabalho Absorption of Gases by Water and Other Liquids, (Absorção de gases pela água e outros líquidos), neste delineou os princípios do seu modelo atómico. Segundo Dalton a matéria é formada por partículas muito pequenas designadas átomos, os átomos de um mesmo elemento possuem propriedades iguais, os de elementos diferentes possuem propriedades diferentes, os átomos são indivisíveis e indestrutíveis e os átomos de diferentes elementos combinam-se entre si formando compostos.

John Dalton

     O seu modelo atómico foi chamado de modelo atómico da bola de bilhar. Em 1810 foi publicada a obra New System of Chemical Philosophy (Novo sistema de filosofia química), nesse trabalho havia teses que provavam as suas observações, como a lei das pressões parciais, chamada de Lei de Dalton, entre outras relativas à constituição da matéria. Para Dalton o átomo era um sistema contínuo. Apesar de um modelo simples, Dalton deu um grande passo na elaboração de um modelo atómico, pois foi o que instigou na busca por algumas respostas e proposição de futuros modelos. O britânico Joseph John Thomson descobriu os elétrons em 1897 por meio de experimentos envolvendo raios catódicos em tubos de crookes. Thomson, ao estudar os raios catódicos, descobriu que estes são afetados por campos elétrico e magnético, e deduziu que a deflexão dos raios catódicos por estes campos são desvios de trajetória de partículas muito pequenas de carga negativa, os elétrons. Thomson propos que o átomo era, portanto, divisível, em partículas carregadas positiva e negativamente, contrariando o modelo indivisível de átomo proposto por Dalton (e por atomistas na Antiga Grécia). O átomo consistiria de vários elétrons incrustados e embebidos em uma grande partícula positiva, como passas em um pudim. O modelo atômico do "pudim com passas" permaneceu em voga até a descoberta do núcleo atômico por Ernest Rutherford.

     Rutherford é considerado o maior físico experimentalista até hoje e é conhecido como pai da física nuclear. No início da carreia descobriu a meia vida do átomo e mostrou que a radioatividade causa transmutação de um elemento químico em outro. Ele também descobriu que a radiação emitida por materiais radioativo pode ser de três tipos: Alfa (positiva), Beta (negativa) e Gama (eletromagnética). Por tudo isso ele ganha o prêmio Nobel em 1908. Mas sua maior contribuição ainda estava por vir. Nesse mesmo ano ele realizou sua mais fomsa experiência. Munido de um canhão de partículas alfas, e uma folha de ouro, ele resolveu fazer vários disparos aleatórios de partículas alfas sobra e folha. Como resultado obteve que a maioria dos disparos a partícula alfa pasava reto, e em uma minoria havia um desvio na trajetoria da partícula. Não contente com esse resultado, ele resolveu medir se alguma das partículas estava sendo rebatida de volta e para seu espanto descobriu que a resposta era sim. Com base nesses resultados,  demonstrou que a maior parte do átomo era espaço vazio, estando a carga positiva localizada no núcleo (ponto central do átomo), tendo este a maior parte da massa do átomo. Os eletrons giram em torno do núcleo (modelo conhecido como sistema solar). Rutherford também formulou a existência dos neutrons, as partículas com carga neutra que se encontram no núcleo, que foi descoberta por seu aluno Chadwick em 1932.Este modelo não explica porque é que os electrons não caem no núcleo, devido à atracção que apresentam pelas cargas opostas existentes.

Niels Bohr e Albert Einstein

     Em 1909, o físico dinamarques Niels Bohr, publicou sua teoria que explica o modelo proposto por Rutherford, aplicando a Teoria Quântica, de Max Planck (publicada em 1900). Nos ano seguintes vários físicos ajudaram a criar o modelo atômico atual, entre eles podemos citar Albert Einstein, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli e outros. Esse é o modelo que aprendemos atualmente na escola, com elétrons girando em camadas, ligações covalente e tals. Em 1928 Paul Dirac preveu a existência de uma partícula de massa igual ao elétron, mas de carga oposta. Essa anti-partícula recebeu o nome de pósitron (também chamado de anti-próton) foi observada pela primeira vez em 1932 pelo físico americano Anderson. Nos anos seguintes também foram previstas que todas a partículas teriam suas respectivas antíparticulas, anti-prontons, anti-neutros, e todas partículas foram observadas posteriormente também.
      A partir da década 20, a tecnologia permitiu construir equipamentos sofisticados chamados Aceleradores de Partículas. Elas são máquinas que usam o eletromagnetismo para fornecer energia a feixe de partículas subatômicas (prótons, elétrons, neutrons, anti-prontons e diferentes tipos de ions), acelerando-as a velocidadedas espantosamente altas. Os aceleradores mais modernos conseguem acelerar os prótons próximo 99% da velocidade da luz. Quando estão em altas velocidades, essas partículas são arremessadas contra outras, e o resultado dessa colisão são análisados na camara de bolha. Na década de 50 foi descoberta uma enormidade desses pedaços de particulas, mais elementares, chamados de bóson, fermions, hádrons, mésons (8 tipos), híperons (6 tipos), glúons (8 tipos), léptons, fótons, grávitons, múons, neutrino e tau. Foram tantas partículas descobertas que um físico brincou que se ele gostasse de decorar nomes, teria sido um botânico.
     O que se observa na natureza é que os dois tipo de simetria de troca (pretendo fazer um post sobre simetrias em breve), simétrica e anti-simétrica, são característicos dos sistemas físicos. Ou seja: para determinados sistemas os estados são sempre simétricos, enquanto que para outros os estados são sempre anti-simétricos. A simetria de troca não só não muda com o tempo, como também é sempre a mesma para um determinado sistema. Os sistemas do primeiro tipo são chamados de bósons (em homenagem ao físico indiano Satyendra Nath Bose), enquanto os do segundo tipo são chamados de férmions (em homenagem ao física italiano Enrico Fermi). Existe também uma relação entre o número quântico de spin S e a simetria de troca: todos os bósons têm spin inteiro, enquanto que todos os férmions têm spin semi-inteiro. As partículas constituintes do átomo, elétrons, prótons e nêutrons, têm todas spin semi-inteiro, S=1/2 e são, portanto, férmions. Note que a simetria se aplica a troca das coordenadas de duas partículas idênticas: dois prótons, dois elétrons, dois nêutrons. Não faz sentido, obviamente, trocar as coordenadas de um próton com as de um elétron. Das partículas de força, fótons, glúons e grávitons, o bóson mais importante é o fóton e o Bóson de Higgs.

Pequeníssima parte do LHC

      Assim como as outras partículas que foram previstas emm teoria para posteriormente serem descobertas em experimentos, o Bóson de Higgs é a única partícula do modelo padrão atômico que ainda não foi encontrada. Bóson de Higgs é uma partícula elementar surgida logo após ao Big Bang de escala maciça hipotética predita para validar o modelo padrão atual de partícula e representa a chave para explicar a origem da massa das outras partículas elementares. Desde que foi predito primeiramente em 1964 pelo físico britânico Peter Higgs, houve condições tecnológicas de buscar a possível existência do bóson até o funcionamento do LHC (Grande Colisor de Hádrons/Large Hadrons Collisor). O LHC é o maior e mais potente acelerador de partículas existente, localizado na fronteira da Suíça e França, a 175 metros abaixo do solo, tem 27km de circunferência. Concluído em 2008, o LHC sofreu alguns probleminhas técnico que impediu que ele funcionasse 100% até uns meses atrás.
     O Bóson de Higgs é a partícula chave desse modelo, a pedra fundamental para concluir o modelo subatômico atual. Por isso que o muitos cientistas estão tão esperançosos e ansiosos pelos resultado obtidos na última colisão realisada pelo LHC. A existência do Bóson de Higgs confirmará (ou não, caso ele não exista) o modelo padrão atômico, que é fruto de décadas de suor e trabalhos de gerações dos mais geniais físicos. Enquanto isso, aguardamos ansiosos os resultado.


Abraços
Bruno Martinez Ribeiro