Em 1975, três teóricos do CERN, John Ellis, Mary K. Gaillard e Dimitri Nanopoulos, empreenderam o primeiro estudo abrangente da fenomenologia do colisor do bóson de Higgs. Quase 40 anos depois, foi descoberto no LHC. Agora, dez anos depois, podemos ter uma previsão de longo prazo para antecipar os vários caminhos que a futura pesquisa de Higgs pode seguir?
Em 4 de julho de 2022, aproveitando as muitas apresentações bonitas no simpósio Higgs@10, uma frase continuou soando em meus ouvidos:"Compatível com as previsões do Modelo Padrão (SM)". Os sinos de alarme estavam tocando. Sério? Temos certeza? Se o Higgs é ou não semelhante ao SM é uma questão que moldará o futuro experimental da pesquisa do Higgs.

Podemos quantificar uma resposta por meio da linguagem da teoria de campo efetiva, que é uma manifestação matemática da noção de que a maneira mais eficaz de descrever um objeto depende da escala de comprimento a partir da qual você o está visualizando. Para os astronautas, a Terra é descrita com muita eficácia como uma esfera lisa. Para os estudantes de verão caminhando para Le Reculet, não é. Assim, também, do mundo quântico. Longe de ser um átomo neutro, ele efetivamente aparece como uma partícula pontual com algumas interações multipolares remanescentes com fótons. Em distâncias mais curtas, entrando entre os elétrons, essa descrição falha inteiramente.

Idem o Higgs. O que quer que esteja acontecendo lá, em energias próximas o suficiente de mh, é efetivamente descrito como uma partícula pontual com um punhado de "operadores" adicionais, que são essencialmente novas interações de partículas que não estão contidas no SM (não aparecem em aquela caneca ou camiseta), mas envolvem partículas SM. A olho nu, o astronauta pode distinguir algumas características da Terra e supor que pode haver montanhas, mas não conseguiu estimar o ganho de elevação dos alunos. Da mesma forma, os operadores não-SM Higgs podem capturar os efeitos remanescentes de longa distância das entranhas microscópicas do Higgs, mas não revelar toda a sua glória em detalhes. Se todos esses operadores extras desaparecerem, o Higgs será semelhante ao SM. Vamos considerar dois exemplos escolhidos a dedo e investigar o quão parecido com o SM o Higgs é...

Até que ponto isso é "desfocado"? É como um ponto até as menores escalas de distância ou é, como o píon, composto de outras novas partículas ainda não identificadas? No último caso, tanto quanto para os píons e seus quarks e glúons constituintes, observar diretamente o novo material exigiria ir para energias mais altas. Alternativamente, pode ser semelhante a um ponto, mas sondando-o de perto pode revelar as pistas reveladoras de uma nuvem de novas partículas com as quais interage. Para seu interesse, o operador que pode capturar essas propriedades é escrito (∂μ|H|2)2. Se desaparecer, o Higgs é inteiramente pontual. Se não, é mais confuso do que o esperado. Quão confuso é? As medições atuais de acoplamento do LHC Higgs sugerem que ele é efetivamente pontual até uma escala de comprimento apenas um fator três abaixo da escala eletrofraca. Ainda pode ser muito confuso! Tão confuso quanto um pião. Se assim for, dificilmente um Higgs do tipo SM! Devemos fazer melhor e, por meio de medições de acoplamento muito mais precisas no nível de 0,2%, uma futura fábrica de Higgs como a FCC-ee poderia determinar se o Higgs é pontual até o nível de 6%.

O Higgs se acha atraente? Sim, de acordo com o SM. Novas partículas significam novas forças e, portanto, se o bóson de Higgs interagir com novas partículas pesadas, elas gerarão uma nova força entre o Higgs e ele mesmo. O operador que efetivamente captura isso é |H|6 e literalmente molda a maneira como o campo de Higgs deu massa às partículas durante o nascimento do nosso universo! Então, quão SM-like é a auto-atração de Higgs? Com as atuais restrições experimentais, sabemos que a autoatração de Higgs pode ser 530% mais forte que o valor SM (não apenas autoatração, mais como vaidade total) ou até -140% menos (autorrepulsiva, mais parecida). Dificilmente SM-like em ambos os casos! Para ter alguma ideia se a auto-atração é como SM, devemos fazer muito melhor. Uma instalação futura, como o FCC-hh, CLIC ou um colisor de múons, poderia sondar a auto-atração no nível muito mais preciso de 5%.

Paciência é uma virtude; complacência não é. É muito cedo para marcar hora no bar para o bóson de Higgs. Quem sabe, podemos até ser servidos com algo completamente inesperado, como uma nova janela para o setor escuro do universo. Explorar verdadeiramente todas as facetas da natureza do bóson de Higgs, entendendo se é ou não semelhante ao SM, levará tempo (medido em décadas) e muito trabalho duro. Mas pode e deve ser feito. Este é o futuro experimental da pesquisa de Higgs que esperamos.

Dito isso, não é nenhum segredo que muitos teóricos esperavam que o Higgs fosse muito menos parecido com o SM do que parece já ser. Cabeças devidamente arranhadas, um golpe de estado teórico está agora em andamento silenciosamente. Havia boas razões para esperar algo diferente:principalmente o problema da hierarquia. Este problema não é simplesmente estético. O SM se decompõe em altas energias, em última análise, fazendo previsões patológicas, portanto, só pode ser uma descrição de teoria de campo efetiva de longa distância de algo mais fundamental. Se, como foi o caso dos píons, a massa do Higgs é determinada pelos parâmetros mais fundamentais, então para o Higgs não há mecanismo para mantê-lo mais leve do que a escala de massa das novas partículas nessa teoria. No entanto, os colisores nos dizem que há uma lacuna entre a massa do Higgs e a dessas novas partículas. No passado, isso motivou a descoberta e o desenvolvimento de novos mecanismos para explicar um Higgs leve, como a venerada supersimetria de baixa escala, que até agora não compareceu à festa de física do LHC, com seu Higgs não semelhante a SM.

Rudemente acordados pelo dilúvio de enredos de exclusão, café cheirando relutantemente, os teóricos, nos últimos anos, apresentaram o que poderia muito bem ser desenvolvimentos teóricos revolucionários. O problema da hierarquia não desapareceu e nem os dados, então as outras suposições fundamentais injetadas secretamente nas velhas teorias, muitas vezes ligadas à simetria ou a princípios estéticos como simplicidade ou minimalidade, foram questionadas e consideradas deficientes. Em resposta, novas classes intrépidas de teorias foram desenvolvidas que podem resolver o problema da hierarquia enquanto são consistentes com todos aqueles gráficos de exclusão incômodos. Eles vão desde ajustes conceituais relativamente modestos de estruturas existentes, até o abandono de princípios estéticos, e então todo o caminho do outro lado para tentativas de ligar a massa de Higgs às origens do universo, cosmologia, a natureza do Big Bang e , ao extremo, especulações sobre possíveis ligações entre a massa de Higgs e a própria existência da vida. Você nome dele, nós estamos indo corajosamente.

Não é fato consumado. Nenhuma dessas ideias é tão inebriante quanto a supersimetria ou tão estupefata quanto as dimensões extras, cada uma deixando aqueles que as estudam com mais uma sensação de "observe este espaço" do que a "eureca" que Arquimedes desfrutou. Diferentemente, eles não são radicais o suficiente, muito radicais ou simplesmente não têm gosto. Nenhum momento Cachinhos Dourados ainda. No entanto, a meu ver, essas questões são motivo de esperança. Em momentos semelhantes no passado, estivemos essencialmente no caminho certo, tendo que esperar um pouco mais do que o esperado pela confirmação dos dados experimentais (quark top). Em outros momentos, as ideias certas foram radicais demais para a maioria digerir de uma só vez (mecânica quântica). No entanto, para outros, as abordagens corretas permaneceram em relativa obscuridade por muito tempo, simplesmente por não serem à la mode (teoria quântica de campos). Procure os registros de citação dos documentos originais de Brout-Englert, Higgs, Guralnik-Hagen-Kibble ou "Um modelo de léptons" de Weinberg, todos fundamentais para a física do bóson de Higgs, e você verá que eles são casos importantes em questão. que faríamos bem em lembrar. A natureza não fez promessas de que entender as origens do Higgs deveria ter sido fácil, nem deveria ser no futuro, mas a história ensina que aqueles que exploram implacavelmente e sem medo são frequentemente recompensados ​​com o maior prêmio de todos:a verdade.

Para onde tudo isso vai nos próximos anos? Seremos tenazes o suficiente para construir o acelerador, os detectores e a vila necessária para medir a autoatração do Higgs ou descobrir a imprecisão do Higgs? Alguns teóricos corajosos abrirão a porta para a teoria fundamental além do SM? Os futuros fenomenólogos lançarão as primeiras pedras fundamentais no caminho para descobri-lo?

Como disse Dennis Gabor, o inventor da holografia:"O futuro não pode ser previsto, mas os futuros podem ser inventados". Estamos trabalhando nisso. + Explorar mais

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