O bóson de Higgs: Como criar tudo do nada
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| Deus criando o famoso bóson de Higgs (Imagem gerada por IA em Google Whisk) |
por Thomas Phillips
31 de março de 2014
Físicos do Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider, LHC, em inglês) do CERN relataram novos resultados mostrando que o bóson "semelhante ao Higgs" descoberto em 2012 é, de fato, consistente com as expectativas para um bóson de Higgs modelo padrão (às vezes, chamado de "Partícula de Deus"). Esta importante partícula pode ajudar a explicar o "como" da criação ex nihilo, ou como Deus criou tudo do nada. O Higgs também dá massa à matéria, uma condição necessária para a existência da vida.
Em 2012, quando uma nova partícula "semelhante ao Higgs" ganhou as manchetes internacionais, as únicas propriedades que os físicos tinham medido até então eram a massa da partícula e a taxa na qual ela era vista decaindo em uma série de estados finais (principalmente em dois fótons). [1] Sim, essas propriedades eram consistentes com aquelas esperadas para o bóson de Higgs — mas há potencialmente outras partículas que poderiam exibir essas características também.
Assim, desde 2012, os físicos têm trabalhado arduamente para determinar a verdadeira identidade desta partícula. É realmente o Higgs ou é alguma outra partícula? Resultados preliminares desses estudos foram divulgados recentemente. [2]
Criando Tudo do Nada
A Bíblia descreve Deus criando o cosmos – toda a matéria, espaço, tempo e energia – do nada, um cenário (conhecido como criação ex nihilo) apoiado pela cosmologia do big bang. Explorar e entender o bóson de Higgs pode nos dar um vislumbre de como Deus realizou essa obra incrível. (Daí uma razão pela qual alguns apelidaram o Higgs de “a Partícula de Deus”.)
Sem o bóson de Higgs, o universo como o conhecemos não existiria. A pesquisa indica que, no início do universo, nenhuma partícula tinha massa; então tudo viajava à velocidade da luz. Além disso, o universo provavelmente estava completamente vazio, uma vez que não existia energia para criar quaisquer partículas. Entretanto, por meio de um processo chamado mecanismo de Higgs, foi liberada energia suficiente para ajudar a alimentar o big bang e criar matéria. Ao mesmo tempo, o mecanismo de Higgs deu massa a algumas partículas, permitindo-lhes parar. Sem massa, a vida não poderia existir.
Como Funciona o Bóson de Higgs
A maioria das partículas tem uma superfície de energia potencial que se parece com uma tigela ou vale com o ponto mais baixo na origem, onde o campo das partículas é zero (ver Figura 1). Outra forma de compreender este potencial é imaginar-se no fundo de uma piscina vazia. Para sair da piscina você precisaria gastar energia para subir, não importa a direção. Da mesma forma, é necessária energia para produzir um número diferente de zero de partículas.
31 de março de 2014
Físicos do Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider, LHC, em inglês) do CERN relataram novos resultados mostrando que o bóson "semelhante ao Higgs" descoberto em 2012 é, de fato, consistente com as expectativas para um bóson de Higgs modelo padrão (às vezes, chamado de "Partícula de Deus"). Esta importante partícula pode ajudar a explicar o "como" da criação ex nihilo, ou como Deus criou tudo do nada. O Higgs também dá massa à matéria, uma condição necessária para a existência da vida.
Em 2012, quando uma nova partícula "semelhante ao Higgs" ganhou as manchetes internacionais, as únicas propriedades que os físicos tinham medido até então eram a massa da partícula e a taxa na qual ela era vista decaindo em uma série de estados finais (principalmente em dois fótons). [1] Sim, essas propriedades eram consistentes com aquelas esperadas para o bóson de Higgs — mas há potencialmente outras partículas que poderiam exibir essas características também.
Assim, desde 2012, os físicos têm trabalhado arduamente para determinar a verdadeira identidade desta partícula. É realmente o Higgs ou é alguma outra partícula? Resultados preliminares desses estudos foram divulgados recentemente. [2]
Criando Tudo do Nada
A Bíblia descreve Deus criando o cosmos – toda a matéria, espaço, tempo e energia – do nada, um cenário (conhecido como criação ex nihilo) apoiado pela cosmologia do big bang. Explorar e entender o bóson de Higgs pode nos dar um vislumbre de como Deus realizou essa obra incrível. (Daí uma razão pela qual alguns apelidaram o Higgs de “a Partícula de Deus”.)
Sem o bóson de Higgs, o universo como o conhecemos não existiria. A pesquisa indica que, no início do universo, nenhuma partícula tinha massa; então tudo viajava à velocidade da luz. Além disso, o universo provavelmente estava completamente vazio, uma vez que não existia energia para criar quaisquer partículas. Entretanto, por meio de um processo chamado mecanismo de Higgs, foi liberada energia suficiente para ajudar a alimentar o big bang e criar matéria. Ao mesmo tempo, o mecanismo de Higgs deu massa a algumas partículas, permitindo-lhes parar. Sem massa, a vida não poderia existir.
Como Funciona o Bóson de Higgs
A maioria das partículas tem uma superfície de energia potencial que se parece com uma tigela ou vale com o ponto mais baixo na origem, onde o campo das partículas é zero (ver Figura 1). Outra forma de compreender este potencial é imaginar-se no fundo de uma piscina vazia. Para sair da piscina você precisaria gastar energia para subir, não importa a direção. Da mesma forma, é necessária energia para produzir um número diferente de zero de partículas.
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| Figura 1: Potencial energético típico [energy = energia / field strenght = força do campo] (Imagem de Thomas Phillips em Reasons to Believe) |
A chave para o mecanismo de Higgs é que o potencial de Higgs tem a forma daquilo que os físicos chamam de potencial chapéu mexicano, com um pico na origem, e não um vale (ver Figura 2). (Para este potencial, imagine-se sentado em uma bicicleta no topo de uma colina; em qualquer direção que você rolar, você ganhará energia cinética.) Portanto, o estado de energia mais baixo do bóson de Higgs não é zero, mas está em algum valor finito do campo de Higgs. Em termos técnicos, o Higgs tem um valor esperado do vácuo (VEV) diferente de zero.
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| Figura 2: O potencial de Higgs, que se assemelha a um chapéu mexicano (Imagem de Gonis/Wikimedia/Creative Commons via Reasons to Believe) |
Após a quebra espontânea de simetria (na qual o sistema “escolhe” uma direção para o campo), [3] o campo de Higgs tem um VEV diferente de zero, o que significa que existe um campo de Higgs em todo o universo. Você pode dizer que é onipresente. Quando isso aconteceu no início do universo, o processo liberou energia suficiente para criar matéria e ajudar a alimentar o big bang. Além disso, como todas as outras partículas precisam se propagar através deste campo de Higgs, ele as desacelera (semelhante a uma pessoa andando na água) e dá massa às partículas. Quanto mais forte for o acoplamento ao campo de Higgs, mais massivas serão as partículas. Sem massa, a matéria não existiria, e sem matéria, não existiríamos.
Confirmando a descoberta do Bóson de Higgs
Em julho de 2012, físicos do Fermilab anunciaram evidências de uma nova partícula que decai em pares de quarks b. Dois dias depois, físicos do CERN anunciaram a descoberta do bóson semelhante ao Higgs, que decai em pares de bósons (fótons, W's ou Z's). Como o Higgs se acopla à massa, ele quer decair em um par das partículas mais pesadas possíveis. As partículas mais pesadas com massa menor que metade de um Higgs (125 GeV/c2) são quarks b; a maioria dos bósons de Higgs decai em um par de b's.
Existem muitos outros processos que produzem pares de quarks b e eventos que parecem quase iguais a um processo de decaimento de Higgs, tornando muito difícil distinguir os decaimentos de Higgs deste contexto. Contudo, físicos do Fermilab e do CERN anunciaram resultados de pesquisas que fizeram exatamente isso. A equipe do Fermilab produziu resultados com significância de três desvios padrão (3σ). Na física de partículas, 3σ é o limite para reivindicar evidências; reivindicar a descoberta requer exceder um limite de 5σ.
Felizmente, os físicos do CERN conseguiram atingir um limiar de 5σ graças à maior energia e intensidade do LHC, o que lhes permitiu procurar por decaimentos de Higgs muito raros (um par de fótons, por exemplo) que tinham muito menos interferência de fundo. Ao analisar novos dados (além do que foi analisado em 2012), a equipe do CERN conseguiu encontrar evidências da partícula de Higgs decaindo em férmions (quarks e léptons). Como cada férmion tem uma massa diferente, o acoplamento ao Higgs é diferente para cada férmion, portanto, a fração de ramificação para o Higgs decair em cada tipo de férmion também é diferente.
Até agora, todas as evidências continuam a apoiar a hipótese de que esta partícula é o modelo padrão de Higgs. No entanto, ainda há muito trabalho a ser feito antes de podermos afirmar que a partícula descoberta em 2012 é realmente o bóson de Higgs, que pode ter desempenhado um papel crítico nos milagres criativos de Deus.
Dr. Thomas Phillips, PhD
Dr. Thomas Phillips recebeu seu PhD em física de partículas pela Universidade de Harvard em 1986, e recentemente se aposentou do corpo docente da Universidade Duke para trabalhar como empresário. Ele também é atualmente professor pesquisador de física no Instituto de Tecnologia de Illinois.
Notas de Fim
Confirmando a descoberta do Bóson de Higgs
Em julho de 2012, físicos do Fermilab anunciaram evidências de uma nova partícula que decai em pares de quarks b. Dois dias depois, físicos do CERN anunciaram a descoberta do bóson semelhante ao Higgs, que decai em pares de bósons (fótons, W's ou Z's). Como o Higgs se acopla à massa, ele quer decair em um par das partículas mais pesadas possíveis. As partículas mais pesadas com massa menor que metade de um Higgs (125 GeV/c2) são quarks b; a maioria dos bósons de Higgs decai em um par de b's.
Existem muitos outros processos que produzem pares de quarks b e eventos que parecem quase iguais a um processo de decaimento de Higgs, tornando muito difícil distinguir os decaimentos de Higgs deste contexto. Contudo, físicos do Fermilab e do CERN anunciaram resultados de pesquisas que fizeram exatamente isso. A equipe do Fermilab produziu resultados com significância de três desvios padrão (3σ). Na física de partículas, 3σ é o limite para reivindicar evidências; reivindicar a descoberta requer exceder um limite de 5σ.
Felizmente, os físicos do CERN conseguiram atingir um limiar de 5σ graças à maior energia e intensidade do LHC, o que lhes permitiu procurar por decaimentos de Higgs muito raros (um par de fótons, por exemplo) que tinham muito menos interferência de fundo. Ao analisar novos dados (além do que foi analisado em 2012), a equipe do CERN conseguiu encontrar evidências da partícula de Higgs decaindo em férmions (quarks e léptons). Como cada férmion tem uma massa diferente, o acoplamento ao Higgs é diferente para cada férmion, portanto, a fração de ramificação para o Higgs decair em cada tipo de férmion também é diferente.
Até agora, todas as evidências continuam a apoiar a hipótese de que esta partícula é o modelo padrão de Higgs. No entanto, ainda há muito trabalho a ser feito antes de podermos afirmar que a partícula descoberta em 2012 é realmente o bóson de Higgs, que pode ter desempenhado um papel crítico nos milagres criativos de Deus.
Dr. Thomas Phillips, PhD
Dr. Thomas Phillips recebeu seu PhD em física de partículas pela Universidade de Harvard em 1986, e recentemente se aposentou do corpo docente da Universidade Duke para trabalhar como empresário. Ele também é atualmente professor pesquisador de física no Instituto de Tecnologia de Illinois.
Notas de Fim
- T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration, D0 Collaboration), “Evidence for a Particle Produced in Association with Weak Bosons and Decaying to a Bottom-Antibottom Quark Pair in Higgs Boson Searches at the Tevatron”, Physical Review Letters 109 (14 de agosto de 2012): 071804; ATLAS Collaboration, “Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC”, Physics Letters B 716 (17 de setembro de 2012): 1; CMS Collaboration, “Observation of a New Boson at a Mass of 125 GeV with the CMS Experiment at the LHC”, Physics Letters B 716 (17 de setembro de 2012): 30.
- CMS Collaboration, “Evidence for the Direct Decay of the 125 GeV Higgs Boson to Fermions”, submetido 25 de janeiro de 2014, https://arxiv.org/abs/1401.6527v.
- Uma boa analogia é o campo magnético num pedaço de ferro, como um prego. Quando o prego é fabricado, os spins dos átomos de ferro ficam todos alinhados aleatoriamente. Assim, o sistema é simétrico e não possui campo magnético – mas este não é o estado de energia mais baixo do sistema. Se você bater no prego com um martelo, isso irá agitar os giros do átomo, fazendo com que eles “escolham” uma direção e se alinhem espontaneamente, resultando em um campo magnético diferente de zero no ferro e liberando alguma energia no processo.
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Traduzido de The Higgs Boson: How to Create Everything from Nothing (RTB)
Etiquetas:
criação de Deus
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