Há dez anos, em 4 de julho de 2012, as colaborações ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) anunciaram a descoberta de uma nova partícula com características consistentes com as do bóson de Higgs previstas pelo Modelo Padrão da física de partículas. A descoberta foi um marco na história da ciência e chamou a atenção do mundo. Um ano depois, François Englert e Peter Higgs ganharam o Prêmio Nobel de Física por sua previsão feita décadas antes, juntamente com o falecido Robert Brout, de um novo campo fundamental, conhecido como campo de Higgs, que permeia o universo, manifesta-se como o bóson de Higgs e dá massa às partículas elementares.
"A descoberta do bóson de Higgs foi um marco monumental na física de partículas. Ele marcou o fim de uma jornada de exploração de décadas e o início de uma nova era de estudos dessa partícula muito especial", diz Fabiola Gianotti, diretora do CERN -Geral e líder do projeto ('porta-voz') do experimento ATLAS no momento da descoberta. "Lembro com emoção o dia do anúncio, um dia de imensa alegria para a comunidade mundial de física de partículas e para todas as pessoas que trabalharam incansavelmente ao longo de décadas para tornar essa descoberta possível."

Em apenas dez anos, os físicos deram passos enormes em nossa compreensão do universo, não apenas confirmando desde o início que a partícula descoberta em 2012 é de fato o bóson de Higgs, mas também permitindo que os pesquisadores começassem a construir uma imagem de como a presença generalizada de um Higgs campo em todo o universo foi estabelecido um décimo de bilionésimo de segundo após o Big Bang.

A nova jornada até agora

A nova partícula descoberta pelas colaborações internacionais ATLAS e CMS em 2012 parecia muito com o bóson de Higgs previsto pelo Modelo Padrão. Mas era realmente aquela partícula há muito procurada? Assim que a descoberta foi feita, ATLAS e CMS começaram a investigar em detalhes se as propriedades da partícula que haviam descoberto realmente correspondiam às previstas pelo Modelo Padrão. Usando dados da desintegração, ou 'decaimento', da nova partícula em dois fótons, os portadores da força eletromagnética, o

experimentos demonstraram que a nova partícula não tem momento angular intrínseco, ou spin quântico – exatamente como o bóson de Higgs previsto pelo Modelo Padrão. Em contraste, todas as outras partículas elementares conhecidas têm spin:as partículas de matéria, como os quarks 'up' e 'down' que formam prótons e nêutrons, e as partículas portadoras de força, como os bósons W e Z.

Ao observar os bósons de Higgs sendo produzidos e decaindo em pares de bósons W ou Z, ATLAS e CMS confirmaram que estes ganham massa através de suas interações com o campo de Higgs, conforme previsto pelo Modelo Padrão. A força dessas interações explica o curto alcance da força fraca, que é responsável por uma forma de radioatividade e inicia a reação de fusão nuclear que alimenta o Sol.

Os experimentos também demonstraram que o quark top, quark bottom e o lépton tau - que são os férmions mais pesados ​​- obtêm sua massa de suas interações com o campo de Higgs, novamente como previsto pelo Modelo Padrão. Eles fizeram isso observando, no caso do quark top, o bóson de Higgs sendo produzido junto com pares de quarks top, e nos casos do quark bottom e do lépton tau, o decaimento do bóson em pares de quarks bottom e léptons tau, respectivamente. . Essas observações confirmaram a existência de uma interação, ou força, chamada de interação Yukawa, que faz parte do Modelo Padrão, mas é diferente de todas as outras forças do Modelo Padrão:é mediada pelo bóson de Higgs e sua força não é quantizada, ou seja, não vem em múltiplos de uma determinada unidade.

ATLAS e CMS mediram a massa do bóson de Higgs em 125 bilhões de elétron-volts (GeV), com uma precisão impressionante de quase um por mil. A massa do bóson de Higgs é uma constante fundamental da natureza que não é prevista pelo Modelo Padrão. Além disso, juntamente com a massa da partícula elementar mais pesada conhecida, o quark top e outros parâmetros, a massa do bóson de Higgs pode determinar a estabilidade do vácuo do universo.

Estes são apenas alguns dos resultados concretos de dez anos de exploração do bóson de Higgs no maior e mais poderoso colisor do mundo – o único lugar no mundo onde essa partícula única pode ser produzida e estudada em detalhes.

“As grandes amostras de dados fornecidas pelo LHC, o desempenho excepcional dos detectores ATLAS e CMS e as novas técnicas de análise permitiram que ambas as colaborações estendessem a sensibilidade de suas medições do bóson de Higgs além do que se pensava ser possível quando os experimentos foram projetados”. diz o porta-voz do ATLAS Andreas Hoecker.

Além disso, desde que o LHC começou a colidir prótons em energias recordes em 2010, e graças à sensibilidade e precisão sem precedentes dos quatro experimentos principais, as colaborações do LHC descobriram mais de 60 partículas compostas previstas pelo Modelo Padrão, algumas das quais são exóticas 'tetraquarks' e 'pentaquarks'. Os experimentos também revelaram uma série de pistas intrigantes de desvios do Modelo Padrão que obrigam a uma investigação mais aprofundada e estudaram o plasma de quarks-glúons que preenchia o universo em seus primeiros momentos em detalhes sem precedentes. Eles também observaram muitos processos de partículas raras, fizeram medições cada vez mais precisas dos fenômenos do Modelo Padrão e abriram novos caminhos na busca de novas partículas além das previstas pelo Padrão.

Modelo, incluindo partículas que podem compor a matéria escura que responde pela maior parte da massa do universo.

Os resultados dessas pesquisas adicionam peças importantes para nossa compreensão da física fundamental. "As descobertas na física de partículas não precisam significar novas partículas", diz o Diretor de Pesquisa e Computação do CERN, Joachim Mnich. "Os resultados do LHC obtidos ao longo de uma década de operação da máquina nos permitiram estender uma rede muito mais ampla em nossas buscas, estabelecendo fortes limites para possíveis extensões do Modelo Padrão, e criar novas técnicas de busca e análise de dados. "

Notavelmente, todos os resultados do LHC obtidos até agora são baseados em apenas 5% da quantidade total de dados que o colisor fornecerá durante sua vida útil. "Com esta 'pequena' amostra, o LHC permitiu grandes avanços em nossa compreensão das partículas elementares e suas interações", diz o teórico do CERN, Michelangelo Mangano. "E embora todos os resultados obtidos até agora sejam consistentes com o Modelo Padrão, ainda há muito espaço para novos fenômenos além do previsto por essa teoria."

“O próprio bóson de Higgs pode apontar para novos fenômenos, incluindo alguns que podem ser responsáveis ​​pela matéria escura no universo”, diz o porta-voz do CMS Luca Malgeri. "ATLAS e CMS estão realizando muitas pesquisas para investigar todas as formas de processos inesperados envolvendo o bóson de Higgs."

A jornada que ainda está por vir

O que resta a ser aprendido sobre o campo de Higgs e o bóson de Higgs dez anos depois? Muito. O campo de Higgs também dá massa aos férmions mais leves ou outro mecanismo pode estar em ação? O bóson de Higgs é uma partícula elementar ou composta? Ele pode interagir com a matéria escura e revelar a natureza dessa misteriosa forma de matéria? O que gera a massa e a autointeração do bóson de Higgs? Tem gêmeos ou parentes?

Encontrar as respostas para essas e outras perguntas intrigantes não apenas aumentará nossa compreensão do universo nas menores escalas, mas também ajudará a desvendar alguns dos maiores mistérios do universo como um todo, como como ele veio a ser como é. e qual pode ser o seu destino final. A autointeração do bóson de Higgs, em particular, pode ser a chave para uma melhor compreensão do desequilíbrio entre matéria e antimatéria e a estabilidade do vácuo no universo.

Embora as respostas para algumas dessas perguntas possam ser fornecidas por dados da iminente terceira execução do LHC ou da grande atualização do colisor, o LHC de alta luminosidade, a partir de 2029, acredita-se que as respostas para outros enigmas estejam além do alcance do LHC, exigindo uma futura 'fábrica de Higgs'. Por esta razão, o CERN e seus parceiros internacionais estão investigando a viabilidade técnica e financeira de uma máquina muito maior e mais poderosa, o Future Circular Collider, em resposta a uma recomendação feita na última atualização da Estratégia Europeia para Física de Partículas.

“Os colisores de alta energia continuam sendo o microscópio mais poderoso à nossa disposição para explorar a natureza nas menores escalas e descobrir as leis fundamentais que governam o universo”, diz Gian Giudice, chefe do departamento de teoria do CERN. "Além disso, essas máquinas também trazem enormes benefícios sociais."

Historicamente, as tecnologias de acelerador, detector e computação associadas aos colisores de alta energia tiveram um grande impacto positivo na sociedade, com invenções como a World Wide Web, os desenvolvimentos de detectores que levaram ao scanner PET (Positron Emission Tomography) e o Projeto de aceleradores para terapia de hádrons no tratamento de cânceres. Além disso, o projeto, construção e operação de colisores e experimentos de física de partículas resultaram na formação de novas gerações de cientistas e profissionais de outras áreas e em um modelo único de colaboração internacional. + Explorar mais

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