As 12 Partículas da Matéria: Compreendendo o Universo na Escala Subatômica

Descrição da imagem: Representação de uma simulação de colisões de partículas. As partículas não são visíveis, mas podem ser detectadas se aplicada energia suficiente, da ordem de giga elétron-volts (GeV). Energia e massa são dois aspectos do mesmo fenômeno, conforme a famosa equação de Einstein (E = mc²), a massa pode se transformar em energia e vice-versa. Essas partículas constituem os elementos básicos de tudo o que existe no universo.

A Física de Partículas

A física de partículas é um ramo da física que estuda os constituintes fundamentais do universo. Explora as partículas elementares, como os quarks e os léptons, bem como as forças fundamentais que as regem. Os cientistas utilizam aceleradores de partículas para estudar essas interações em energias extremamente altas.

As partículas fundamentais são classificadas em duas grandes categorias: os férmions, que constituem a matéria (como os quarks e os léptons), e os bósons, que são as partículas responsáveis pelas forças fundamentais (como o fóton e o bóson de Higgs).

O Mecanismo de Higgs

O mecanismo de Higgs é um conceito fundamental na física de partículas que explica como as partículas elementares adquirem massa. Este mecanismo baseia-se na existência de um campo onipresente no universo, chamado campo de Higgs, e sua partícula associada, o bóson de Higgs.

O próprio bóson de Higgs tem uma massa que foi medida com precisão. Inicialmente, sabia-se apenas que sua massa deveria estar entre 2 GeV e 1000 GeV, um intervalo muito amplo. No entanto, graças aos experimentos realizados no Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN, agora sabemos que o bóson de Higgs tem uma massa de aproximadamente 126 GeV.

Descoberta do Bóson de Higgs

O bóson de Higgs não pôde ser observado no detector do Grande Colisor de Elétrons e Pósitrons (LEP) porque a potência desse colisor (114 GeV) não era suficiente para produzir o bóson de Higgs. Foi necessário substituí-lo pelo LHC, um colisor muito mais potente de 7 TeV. O LEP foi desmontado no outono de 2000, e foi com o LHC, operacional desde 10 de setembro de 2008, que os cientistas esperavam encontrar o bóson de Higgs.

Em 4 de julho de 2012, foi anunciada a descoberta do bóson de Higgs. Em 14 de março de 2013, o CERN confirmou que a nova partícula descoberta se assemelhava cada vez mais ao bóson de Higgs previsto pelo modelo padrão.

Experimentos no LHC

Os experimentos ATLAS e CMS, dois dos quatro principais experimentos do LHC, observaram independentemente o bóson de Higgs e determinaram sua massa em 126 GeV. Esses experimentos envolvem colisões de prótons de alta energia. Um cruzamento de pacotes de prótons ocorre a cada 50 nanosegundos, e ao fazer girar pacotes de prótons por horas, os cientistas podem obter colisões interessantes.

Imagine uma sala uniformemente cheia de pessoas, representando o campo de Higgs que preenche todo o espaço. Quando uma celebridade (simbolizando uma partícula elementar) entra na sala, as pessoas se aglomeram ao seu redor, dificultando seus movimentos. Essa resistência representa a massa inercial que a partícula adquire ao interagir com o campo de Higgs.

Em 2011 e 2012, foram produzidas aproximadamente 10¹⁵ colisões por experimento. A zona de cruzamento, onde ocorrem as colisões, tem um comprimento de 7 cm e um diâmetro de 20 µm.

Explicação Simplificada do Campo de Higgs

Em 1993, o ministro britânico da Ciência, William Waldegrave, lançou um desafio para obter uma explicação simples do campo de Higgs e do bóson de Higgs. David Miller do CERN venceu este desafio com uma analogia:

Imagine uma sala uniformemente cheia de pessoas, representando o campo de Higgs que preenche todo o espaço. Quando uma celebridade (simbolizando uma partícula elementar) entra na sala, as pessoas se aglomeram ao seu redor, dificultando seus movimentos. Essa resistência representa a massa inercial que a partícula adquire ao interagir com o campo de Higgs.

Se, em vez de uma celebridade, um boato (representando uma energia de 126 GeV) se espalha pela sala, as pessoas se aglomerarão ao redor da fonte do boato. Esse aglomerado de pessoas representa o bóson de Higgs, que adquire massa ao interagir com o campo de Higgs.

As Interações Fundamentais

As interações fundamentais são as forças que regem o comportamento das partículas elementares. Existem quatro interações fundamentais na natureza:

• Interação gravitacional: A força que atrai as massas entre si, responsável pela estrutura em grande escala do universo.
• Interação eletromagnética: A força que atua entre partículas carregadas eletricamente, responsável pelos fenômenos elétricos e magnéticos.
• Interação forte: A força que liga os quarks dentro dos prótons e nêutrons, responsável pela estabilidade do núcleo atômico.
• Interação fraca: A força responsável por certos tipos de decaimento radioativo e envolvida nas reações nucleares dentro das estrelas.

Essas interações são mediadas por bósons: o gráviton (hipotético) para a gravidade, o fóton para o eletromagnetismo, os glúons para a interação forte e os bósons W e Z para a interação fraca.