Dez anos atrás, nesta semana, duas colaborações internacionais de grupos de cientistas, incluindo um grande contingente do Caltech, confirmaram que haviam encontrado evidências conclusivas para o bóson de Higgs, uma partícula elementar indescritível, prevista pela primeira vez em uma série de artigos publicados em meados do ano passado. 1960, que se acredita dotar as partículas elementares de massa.
Cinquenta anos antes, quando os físicos teóricos se esforçaram para entender a chamada teoria eletrofraca, que descreve tanto o eletromagnetismo quanto a força nuclear fraca (envolvida no decaimento radioativo), tornou-se evidente para Peter Higgs, trabalhando no Reino Unido, e independentemente para François Englert e Robert Brout, na Bélgica, bem como o físico norte-americano Gerald Guralnik e outros, que um campo previamente não identificado que preenchia o universo era necessário para explicar o comportamento das partículas elementares que compõem a matéria. Este campo, o campo de Higgs, levaria a uma partícula com spin zero, massa significativa e teria a capacidade de quebrar espontaneamente a simetria do universo mais antigo, permitindo que o universo se materializasse. Essa partícula ficou conhecida como bóson de Higgs.

Ao longo das décadas que se seguiram, os físicos experimentais primeiro conceberam e depois desenvolveram os instrumentos e métodos necessários para detectar o bóson de Higgs. O mais ambicioso desses projetos foi o Large Hadron Collider (LHC), que é operado pela Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, ou CERN. Desde o planejamento do LHC no final da década de 1980, o Departamento de Energia dos EUA e a National Science Foundation trabalharam em colaboração com o CERN para fornecer financiamento e conhecimento tecnológico e apoiar milhares de cientistas que ajudam a procurar o Higgs.

O LHC é um anel subterrâneo de 27 quilômetros de comprimento através do qual os prótons são acelerados por ímãs supercondutores até a velocidade da luz. Dois feixes de prótons viajando em direções opostas são focados e direcionados para colidirem um com o outro em pontos específicos onde os detectores podem observar as partículas produzidas por essas colisões. O uso de grandes instalações de detectores com diferentes designs - principalmente o Compact Muon Solenoid (CMS) e o A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) - permite que os cientistas conduzam uma ampla variedade de experimentos para testar as previsões do Modelo Padrão do qual o bóson de Higgs é uma parte, para procurar novas partículas e interações que estão além do modelo padrão, e para verificar os resultados uns dos outros. A detecção do bóson de Higgs, anunciada em 4 de julho de 2012, foi baseada na análise de uma quantidade inédita de dados coletados por CMS e ATLAS.

Harvey Newman, professor de física Marvin L. Goldberger na Caltech e um dos líderes da equipe Caltech, que faz parte da colaboração CMS, chama a descoberta do bóson de Higgs de "um marco na história humana" que "mudou permanentemente a forma como vemos o universo."

Com humor chamado de "partícula de Deus" em 1993 em um livro de mesmo nome pelos autores Leon Lederman e Dick Teresi, o bóson de Higgs desempenha um papel crucial no Modelo Padrão da física:fornece o mecanismo pelo qual as partículas elementares adquirem massa. À medida que as partículas atravessam o campo de Higgs e interagem com os bósons de Higgs, algumas deslizam sobre a superfície, sem mudar nada. Mas outros são pegos no mato, por assim dizer, e ganham massa.

O Modelo Padrão ainda tem que explicar a matéria escura ou a gravitação adequadamente, mas de tempos em tempos suas previsões foram confirmadas experimentalmente. "É um resultado impressionante e surpreendente que, através da análise de quantidades crescentes de dados, com métodos cada vez mais sensíveis, a concordância com o Modelo Padrão tenha continuado a melhorar em todos os seus detalhes, mesmo como os primeiros sinais do que está além, em termos de novas partículas e novas interações, continuou a nos iludir", diz Newman.

Qualquer desvio dos resultados previstos pelo Modelo Padrão sugere a presença de outras partículas ou dinâmicas que podem um dia fornecer as bases para um novo modelo de física mais abrangente.

Colisões que produzem bósons de Higgs são muito raras. Para cada bilhão de colisões próton-próton, apenas um bóson de Higgs é criado. Para complicar ainda mais esse quadro, os bósons de Higgs decaem muito rapidamente em outras partículas, e é somente medindo as características dessas partículas que a existência anterior do bóson de Higgs pode ser inferida. Maria Spiropulu, do Caltech, professora de física Shang-Yi Ch'en e a outra líder da equipe original de pesquisadores do Caltech que ajudaram a detectar o Higgs, descreve-o como a "provável agulha no palheiro".

Melhorias tecnológicas no LHC e seus detectores permitiram maior energia e maior precisão nos colisores e seus detectores. Desde a descoberta do bóson de Higgs em 2012, experimentos no LHC revelaram mais informações sobre o bóson de Higgs e seus processos de massa e decaimento. Por exemplo, em 2018, Newman, Spiropulu e outros pesquisadores do Caltech trabalharam com uma equipe internacional que produziu evidências mostrando o bóson de Higgs decaindo em pares de partículas fundamentais chamadas quarks bottom, trabalho que Spiropulu descreveu na época como um “trabalho hercúleo”. Antes dessa descoberta, a equipe do CMS fez a primeira observação do bóson de Higgs se acoplando diretamente à partícula mais pesada do modelo padrão, o quark top.

Em 2020, Spiropulu e seus colegas documentaram um raro processo de decaimento do bóson de Higgs que resulta em dois múons. "Provar as propriedades do bóson de Higgs é o mesmo que procurar por uma nova física que sabemos que deve estar lá", disse Spiropulu.

"Eu estava terminando o ensino médio quando ouvi sobre a descoberta de Higgs no LHC", diz a estudante de pós-graduação da Caltech e membro da equipe do CMS, Irene Dutta (MS '20), que trabalhou na pesquisa do múon. "É humilhante saber quão bem o Modelo Padrão pode descrever partículas elementares e suas interações com tanta precisão."

Mais recentemente, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Caltech trabalhando no experimento CMS usou algoritmos de aprendizado de máquina baseados em redes neurais para desenvolver um novo método para caçar o que pode ser uma presa ainda mais evasiva do que o próprio Higgs:um extremamente raro " par" de bósons de Higgs em interação que, segundo a teoria, poderiam ser produzidos durante colisões de prótons.

Após um desligamento de três anos para atualizar ainda mais o acelerador e os experimentos do LHC, o LHC iniciou os preparativos finais para uma terceira execução (Run 3) no início de 2022. O início da Run 3, programado para continuar até o final de 2025, ocorrerá em 5 de julho, produzindo as primeiras colisões na nova energia de 13,6 tera-elétron-volts.

"A descoberta de Higgs é um marco em um longo caminho pela frente", diz Barry Barish do Caltech, Ronald e Maxine Linde Professor de Física, Emérito, ex-líder do grupo de física de alta energia do Caltech (e co-vencedor do Prêmio Nobel de Física em 2017 por seu trabalho em outro projeto de física de grande escala, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser, ou LIGO, que fez a primeira detecção das ondulações no espaço e no tempo conhecidas como ondas gravitacionais em 2016). "A física de partículas está avançando tendo em mente que o Modelo Padrão descreve apenas uma pequena fração do que sabemos que existe e mais perguntas estão sem resposta do que respondidas; sim, temos uma ótima parametrização simples no Modelo Padrão, mas a origem real da quebra de simetria eletrofraca é desconhecida. Temos muito mais trabalho pela frente", diz Barish.

Refletindo sobre uma década de exploração do bóson de Higgs, Newman observa que a pesquisa “continua a nos motivar a pensar mais e projetar detectores atualizados e melhorias no acelerador, permitindo-nos expandir amplamente nosso alcance agora e nas próximas duas décadas”. Isso inclui a segunda grande fase do programa LHC, conhecido como High Luminosity LHC, programado para ser executado de 2029 a 2040. Ele fornecerá atualizações substanciais do complexo de aceleradores e detectores que levarão a um aumento projetado nos dados coletados por um fator de 20 em relação ao que CMS e ATLAS têm hoje.

A equipe do Caltech também inclui Si Xie, professor assistente de pesquisa de física, bem como os cientistas pesquisadores Adi Bornheim e Ren-Yuan Zhu, que dedicaram décadas de estudo para descobrir e entender o bóson de Higgs. O grupo Caltech está liderando novas atualizações de detectores de tempo de ultraprecisão para o LHC de alta luminosidade e desenvolvendo novas abordagens de análise de dados baseadas em IA que permitirão a descoberta acelerada quase em tempo real. O grupo produziu mais de uma dúzia de Ph.D. teses e permitiu que aproximadamente 100 estudantes de graduação e estagiários se envolvessem em análise, instrumentação e pesquisa computacional desde a descoberta do Higgs. + Explorar mais

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