CMS e ATLAS esperam descobrir o Higgs até 2012

Detector CMS em fase de montagem em 2008. Foto: Michael Hoch.

Hoje a Physics World publicou uma entrevista com Guido Tonelli, porta-voz do experimento CMS, e Pippa Wells, porta-voz do ATLAS. Ambos afirmam que CMS e ATLAS darão uma resposta definitiva para a existência do bóson de Higgs até final de 2012. A expectativa é que os dados do LHC de 2011 e de 2012 serão necessários para poder vasculhar o Higgs em toda a janela de massa que ele pode existir, que é atualmente de 115 a 600 GeV (para uma comparação, a massa do próton é aproximadamente 1 GeV). O Higgs é a única partícula do Modelo Padrão que ainda não foi positivamente detectada.

O bóson de Higgs é uma partícula que faz parte do esquema mínimo da unificação eletrofraca, a teoria que explica as interações nucleares radioativas e o eletromagnetismo ambos como efeitos de uma simetria da Natureza. Essa partícula, seja ela elementar ou composta de física nova, precisa estar presente para a unificação poder ser tratada dentro do paradigma atual da física de partículas (fracamente acoplado, ou perturbativo). Por muitos anos os físicos sempre consideraram simetrias do tipo linear, que são aquelas que se é um vetor observável físico, o vetor transformado pela simetria é , onde é uma matriz. Um exemplo é a rotação no espaço, e a matriz é chamada de matriz de rotação. Esse tipo de simetria tem regras de transformações que só dependem de números puros (adimensionais), como os ângulos de rotação. Mas ao longo dos anos 60, percebeu-se, talvez com o trabalho pioneiro de Yoichiro Nambu e Giovanni Jona-Lasinio em 1961, que realizações não-lineares da simetria para os observáveis físicos permitiam introduzir parâmetros de massa nas transformações. Então, por exemplo, a transformação do espaço representada linearmente em um escalar age da forma

onde é um número puro, mas ao agir não-linearmente

onde é um número que tem a mesma dimensão de , que é uma quantidade com unidades de massa. Explorando essa idéia, Steven Weinberg e Abdus Salam construiram uma realização desse tipo para a maior simetria que poderia existir agrupando os léptons em duplas que sempre interagem juntos radioativamente (por exemplo, o elétron e o neutrino do elétron formam uma tal dupla). Com a possibilidade de introduzir massas nas leis de transformação, o modelo permite que os bósons da força nuclear fraca sejam massivos, ao invés de ter massa zero. A massa desses bósons e seus decaimentos são o mecanismo da teoria que dá a eles um alcance subatômico, o que permite a força radioativa agir só em escalas pequenas como o núcleo dos átomos. A realização não-linear completa exigiu a introdução de um novo observável físico que se transforma algo como o do meu exemplo, que é o bóson de Higgs. Weinberg, Salam e Nambu receberam o Prêmio Nobel pelos seus trabalhos ligados a aplicação desse tipo de simetria na física de partículas. Essas simetrias são chamadas de espontaneamente quebradas. Mais sobre isso você pode ler aqui.

As buscas por essa partícula no LEP, acelerador do CERN que foi a base do LHC, e principalmente no Tevatron do Fermilab, demonstraram que o Higgs deve ter massa acima de 115 GeV.

Devido ao problema da hierarquia os físicos de partículas esperam que o Higgs seja parte de um fenômeno mais complicado do que o modelo originalmente proposto por Weinberg e Salam. Uma das missões do LHC é determinar se isso é verdade e que tipo de nova física jaz acima de 200 GeV.