Uni-ANHANGUERA - CENTRO UNIVERSITÁRIO DE GOIÁS

Uni-ANHANGUERA - CENTRO UNIVERSITÁRIO DE GOIÁS
CURSO DE QUÍMICA
O ACELERADOR DE PARTÍCULAS APLICADO NA COMPROVAÇÃO DA
EXISTÊNCIA DO BÓSON DE HIGGS
MAYARA DANIELE NUNES DOS SANTOS
RAIZA LOHANA DE SOUZA TRINDADE
GOIÂNIA
Junho/2015
MAYARA DANIELE NUNES DOS SANTOS
RAIZA LOHANA DE SOUZA TRINDADE
O ACELERADOR DE PARTÍCULAS APLICADO NA COMPROVAÇÃO DA
EXISTENCIA DO BÓSON DE HIGGS
Trabalho de Conclusão de
Curso apresentado ao Centro
Universitário de Goiás Uni-ANHANGUERA, sob
orientação da Professora Mª
Renata Leal Martins, como
requisito
parcial
para
obtenção do bacharelado em
Química.
Goiânia
Junho /2015
Dedicamos este trabalho primeiramente a
Deus, aos nossos pais e família por sempre
acreditarem em nosso potencial, e amigos que
nos acompanham nesta etapa.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a Deus primeiramente, pelo dom da vida e
por nos guiar neste caminho.
À nossa professora e orientadora Mª Renata Leal Martins,
fonte inspiradora de inteligência e capacidade, que nos
orientou com dedicação.
Ao Centro Universitário de Goiás, Uni-ANHANGUERA,
pela oportunidade de crescermos profissionalmente e
pessoalmente.
À nossos pais que nos conduziram a uma formação regada
de humildade, respeito, princípios morais e honestidade.
À nossos amigos e todos aqueles que nos incentivaram a
alcançarmos os nossos objetivos.
O cientista não estuda a natureza porque ela é
útil; ele a estuda porque se deleita nela, e se
deleita nela porque ela é bela. Se a natureza
não fosse bela, não valeria a pena ser
conhecida, e se não valesse a pena ser
conhecida, a vida não valeria a pena ser vivida.
Henry Poincaré
Resumo
Na busca por um modelo unificado que se explique todas as interações e propriedades das
partículas, milhares de pesquisadores vêm tentando comprovar o Modelo Padrão que até então
é a teoria mais aceita. Modelo que tenta explicar todas as interações da natureza e suas
partículas. Até surgir a questão de porque as partículas bosonicas W e Z possuem massa, foi
necessária uma nova partícula para dar embasamento a essa teoria, o bóson de Higgs, prevista
pelo físico Peter Higgs em 1964. Mas para se comprovar a existência dessa partícula foi
necessário o uso de colisores e de milhares de cientistas de vários países que se juntaram ao
CERN (Organização Europeia para Investigações Nucleares). Grandes mentes e o mais
potente dos colisores no mundo, o Grande Colisor de Hadrons (LHC), foram os responsáveis
pela comprovação da existência do Higgs. O LHC choca a partículas carregadas a velocidade
próxima a da luz, quebrando-as em pedaços menores e mais leves permitindo o seu estudo
através de seus detectores. O bóson de Higgs foi detectado em Junho de 2012 pelos detectores
ATLAS e CMS.
PALAVRAS-CHAVE: Interações. LHC. CERN. Detectores. Colisor.
LISTA DE FIGURAS
Pagina
Figura 1.1. Representação esquemática de uma partícula interagindo com um campo.
13
Figura 1.2. As doze partículas da matéria, férmions, e algumas de suas propriedades.
14
Figura 1.3. As 12 partículas da matérias, os férmions, separados nas três gerações.
15
Figura 1.4. Bárions são compostos por três quarks e mésons compostos por um quark e 15
um antiquark
Figura 1.5 Representação do confinamento hadrônico
16
Figura 1.6. Observação de um neutrino batendo em um próton em uma câmara de bolhas 17
Figura 1.7. Um dos detectores de neutrinos do experimento Minos, nos EUA
17
Figura 1.8. 5 Tipos de bósons
18
Figura 1.9. As quatro interações fundamentais da Natureza e suas partículas elementares, 20
inclusive o gráviton
Figura 1.10. Diagrama de Feynman representando uma partícula interagindo com um 21
fóton
Figura 1.11. Representação das interações entre as partículas elementares
22
Figura 1.12. Representação de campo Quântico
23
Figura 1.13. Formação e aniquilação. Quando um elétron e um pósitron colidem, eles se 24
aniquilam, suas massas são transformadas em fóton..
Figura 2.1 A procura pelo bóson de Higgs mobilizou muitos cientistas a fim de se 25
comprovar Modelo Padrão.
Figura 2.2. Quebra de simetria no campo de Higgs
26
Figura 2.3. Um bóson Z, uma possível cria de um bóson Higgs, decai em dois elétrons 26
(verde) e dois múons (vermelho)..
Figura 2.4. Uma excitação no campo de Higgs é interpretado como bóson de higgs.
27
Figura 2.5 O potencial do campo de Higgs é chamado de 'El Sombrero' ou 'chapéu 28
mexicano'
Figura 2.6 : Decaimento do bóson de higgs
29
Figura 2.7 : Representação diagramática da formação dos bósons W+ e W-
30
Figura 2.8 Produção e decaimento de um bóson de Higgs
30
Figura 3.1 Vista aérea da fronteira da Suíça com a França, indicando a rota do Grande 31
Colisor de Hádrons.
Figura 3.2 O supercondutor permite correntes altíssimas tendo como consequência a 32
geração de campos magnéticos muito intensos.
Figura 3.3 As partículas (prótons) são acelerados em sentidos opostos para que se choquem e 33
se quebrem em centenas de partículas de massas variadas
Figura 3.4 Desenho esquemático do ALICE
34
Figura 3.5 Desenho esquemático do ATLAS.
35
Figura 3.6 Imagem esquemática do CMS.
35
Figura 3.7 Imagem esquemática do LHCb.
36
Figura 3.8 Localizações dos detectores do LHC
37
LISTA DE SIMBOLOS E SIGLAS
CERN – European Organization for Nuclear Research (Centro Europeu de Pesquisa
Nuclear)
LHC – Larg Hadron Collider (Grande Colisor de Hadrons)
ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS (Aparelho Toroidal do LHC)
CMS – Compact Muon Solenoid (Solenoide de Múon Compacto)
ALICE – A Large Ion Collider Experiment (Experiência do Grande Colisionador de Iõns)
LHCb – Large Hadron Collider beauty (Grande Colisor de Hádrons “quark botton”)
TeV – Teraeletronvolt
GeV – Gigaeletronvolt
QED – Eletrodinâmica Quântica
VEV – Expectativa do Vácuo
LISTA DE TABELAS
Página
Tabela 1.1. Visão esquemática da constituição da matéria segundo o Modelo
Padrão.
19
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
10
OBJETIVOS
12
REFERENCIAL TEORICO
1 O MODELO PADRÃO
1.1 Descrição do modelo
13
1.2 Partículas fundamentais
14
1.3 Interações fundamentais
18
1.4 Outros conceitos do Modelo Padrão
21
2 O BÓSON DE HIGGS
2.1 O que é?
24
2.2 Observação
27
3 O GRANDE COLISOR DE HADRONS
3.1 O que é e como funciona
31
3.2 Detectores
33
CONSIDERAÇÕES FINAIS
38
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICA
39
10
INTRODUÇÃO
Desde os primórdios da humanidade o homem tem a necessidade de conhecer e
entender tudo a sua volta. A partir do momento que o ele olhou para o céu e percebeu a sua
imensidão, surgiu o impulso necessário à curiosidade pela descoberta de sua origem. Na
antiguidade tudo era explicado através de mitos e lendas, isso mudou quando foi proposta, no
período pré-socrático, uma explicação do que era constituída a matéria. Para Tales de Mileto
tudo era feito de água, a matéria prima de tudo. A partir dessas primeiras suposições surgiu a
grande jornada em busca do conhecimento cientifico e chegamos ao que sabemos ate então
(AREND, 2005).
Hoje entende-se, segundo estudiosos, que tudo é composto de apenas dois tipos de
matéria, quarks, que interagem por força nuclear forte e eletrofraca para formar partículas
compostas mais complexas, e os léptons, que não interagem com a fraca. Na década de 70 foi
feito um modelo capaz de descrever e prever com exatidão tudo o que foi observado e
descoberto em experimentos até hoje. Devido ao seu grande sucesso foi chamado de “Modelo
Padrão” das interações fundamentais. Este modelo só é considerado se todas as partículas não
possuírem massa porem, muitas partículas como os elétrons têm. Além disso, partículas de
massa nula só podem se mover a velocidade da luz e nunca estar em repouso ou se mover a
qualquer outra velocidade. Esse foi o problema solucionado por Peter Higgs, partículas que
parecem ter massa, mas não a possuem (GREGORIS, Universidade Federal do ABC).
Em 1964, Peter Higgs, através das ideias de Philip Anderson, postulou a existência do
Campo de Higgs em que a partícula constituinte é o bóson de Higgs. Esse postulado diz que
partículas que interagissem com este campo ganhariam massa, já os que não interagem
permaneceriam os mesmos, com massa nula, viajando a velocidade da luz. Desde a concepção
desta teoria, todas as previsões e consequências sucedidas do modelo padrão foram
confirmadas. Exceto a descoberta do próprio bóson de Higgs (BELIZÁRIO, 2013).
11
No dia 10 de setembro de 2008 entrou em ação, na fronteira entre a França e a Suíça, o
Grande Colisor de Hádrons, The Large Handron Collider (LHC), o maior acelerador de
partículas até então construído pelo homem. Somente com seu funcionamento, houve
condições tecnológicas suficientes para a procura pelo bóson de Higgs (BELUSSI, et tal;
2013). Em seu interior, partículas carregadas (prótons) são aceleradas em sentidos opostos a
uma velocidade próxima a da luz, para provocar uma colisão em pontos específicos, onde
estão localizados quatro grandes detectores, a fim de se captar as partículas. Sua meta é ajudar
a responder questões sobre a criação do universo, a natureza da matéria e fenômenos
observados no espaço, sobretudo a descoberta do “elo perdido” que daria a conclusão do
Modelo Padrão, o bóson de Higgs (LAS CASAS, 2010).
O Modelo Padrão da física de partículas que apresenta três das quatro forças
fundamentais, a eletromagnética, as forças forte e fraca, além das partículas fundamentais que
formam toda a matéria no mundo. De acordo com essa teoria, a partícula de Deus, como
conhecida popularmente, seria o elemento crucial que responderia como existe a matéria em
meio a toda a energia existente no universo. Por isso foi dada tanta importância de se
comprovar a existência do bóson de Higgs, ele permitiria aos cientistas finalmente entender o
principio da materialidade dos corpúsculos essenciais (STEINKIRCH, 2010).
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OBJETIVOS
Objetivo geral
Descrever o acelerador de partículas aplicado na comprovação da existência do Bóson
de Higgs.
Objetivos específicos
− Fazer um breve descrição do Modelo Padrão.
− Apresentar o histórico e busca pela comprovação do Bóson de Higgs.
− Apresentar sobre o histórico do LHC.
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1 O MODELO PADRÃO
1.1 Descrição do modelo
As teorias e descobertas de milhares de físicos desde 1930 resultaram em uma visão
extraordinária na estrutura fundamental da matéria: tudo no universo é feito de alguns blocos
básicos de construção chamados de partículas fundamentais. A melhor compreensão de como
estas partículas e três das forças estão relacionadas umas com as outras é esclarecida no
Modelo Padrão da física de partículas. Desenvolvido na década de 1970, ele explicou com
sucesso quase todos os resultados experimentais e precisamente previu uma grande variedade
de fenômenos, tenta descrever a natureza da matéria, ou de que é feito o universo e como se
aglutinam suas partes, em termos de quatro forças, quatro partículas (virtuais) mediadoras e
doze partículas fundamentais e suas antipartículas (MOREIRA, 2011).
A Figura 1.1 é uma representação esquemática de uma partícula interagindo com um
campo.
Figura 1.1: Representação esquemática de uma partícula interagindo com um campo.O Modelo Padrão é o
conjunto de teorias que descrevem quais são as partículas elementares que constituem a matéria e como elas
interagem.
Fonte: http://www.oestadoce.com.br/noticia/cientistas-belga-e-britanico-sao-os-vencedores-do-premio-nobel-defisica
14
De acordo com essa teoria, existem dois tipos de partículas fundamentais os férmions
e bósons. Os férmions são partículas que constituem a matéria, tem spin semi-inteiro e
satisfazem o princípio de exclusão de Pauli, onde férmions similares não podem dividir o
mesmo estado quântico ao mesmo tempo. Existem doze tipos diferentes de partículas de
matérias (sabores, números quânticos): seis quarks (confinados em partículas maiores, os
hádrons): up, down, strange, charm, top e bottom e seis léptons: elétron, múon, tau e seus
neutrinos correspondentes. Na matéria comum do próton, do nêutron, e do elétron, apenas o
último é uma partícula fundamental. O próton e o nêutron são um conjunto de partículas
menores, os quarks, que são mantidos juntos pela interação forte (STEINKIRCH, 2010).
A Figura 1.2 mostra as doze partículas da matéria, os férmions e algumas de suas
propriedades.
Figura 1.2: As doze partículas da matéria, férmions, e algumas de suas propriedades.
Fonte: http://journalofcosmology.com/Cosmology5.html
1.2 Partículas fundamentais
Pares de cada grupo dos férmions formam uma geração, dentro de cada uma, os
férmions se comportam exatamente como seus contrapontos na outra geração, com exceção
de suas massas e de seus sabores (números quânticos). Toda a matéria é feita das primeiras
gerações. As gerações mais altas de partículas (segunda e terceira gerações) são mais pesadas
e instáveis e decaem muito rápido para a primeira geração e por isso só podem ser originados
por um curto tempo em experimentos de grande energia (STEINKIRCH, 2010).
A Figura 1.3 mostra as três gerações dos férmions (léptons e quarks).
15
Figura 1.3: As 12 partículas da matérias, os férmions, separados nas três gerações (de cima para baixo: primeira
geração, segunda geração e terceira geração).
Fonte: http://sro0.wordpress.com/2012/07/17/particulasfundamentais
Os hádrons são uma família de partículas de grande massa formadas por quarks, são
divididos em dois grupos, os bárions formados por três quaks e os mésons, formados de um
quark e um antiquark. Bárions possuem spin semi inteiro e satisfazem o Princípio da Exclusão
de Pauli, já os mésons possuem spin inteiro e não obedecem ao Princípio da Exclusão de
Pauli. O nêutron e o próton são exemplos de hádrons (MOREIRA, 2004).
A Figura 1.4 mostra a composição dos tipos de hádrons: mésons e bárions.
Figura 1.4: Bárions são compostos por três quarks e mésons compostos por um quark e um antiquark
Fonte: http://blog.funboxcomedy.com/2008/09/when-hadrons-collider.html
Os léptons são partículas de interação fraca, encontradas fora do núcleo atômico,
podem ter cargas elétricas ou não (neutrinos), diversamente aos quarks não possuem uma
16
qualidade chamada cor (carga de interação forte, não é uma cor propriamente dita), e suas
interações são apenas eletromagnética e fraca, que diminuem com a distância. Já a cor entre
os quarks faz com que a força entre eles aumenta com a distância, de modo que eles sempre
são encontrados em combinações chamadas de hádrons, fenômeno conhecido como
confinamento. A maioria das partículas elementares são hádrons. A massa de cada
aglomeração de quarks ultrapassa a massa de seu componente por causa da energia de ligação
(STEINKIRCH, 2010).
A Figura 1.5 é a representação esquemática do confinamento hadrônico.
Figura 1.5: Representação do confinamento hadrônico.
Fonte: http://sro0.wordpress.com/2012/07/17/particulasfundamentais
O neutrino é uma partícula leptônica que tem massa muito pequena e sua carga elétrica
pode ser considerada nula, por isso é muito difícil ser detectada, (BELUSSI, et. al; 2013).
Tem o spin ½ e é formado em vários processos de desintegração beta, e na desintegração dos
mésons K. No interior do sol o hidrogênio é convertido em hélio e os fótons emanados com
ele são acompanhados por neutrinos. Deste modo, os neutrinos toleram apenas interações
fracas e gravitacionais. Experimentos indicam que durante seu deslocamento se transformam
de um tipo em outro (oscilações de neutrinos), (STEINKIRCH, 2010).
A Figura 1.6 é a representação vista por aparelho de um neutrino colidindo com um
próton.
17
Figura 1.6: Observação de um neutrino batendo em um próton em uma câmara de bolhas.
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Neutrino
Existem três tipos de neutrinos: “neutrino do elétron”, “neutrino do múon” e “neutrino
do tau”. Possuem esses nomes porque, na maior parte das vezes, quando um neutrino do
elétron interage com outras partículas, surge um elétron; quando um neutrino do múon
interage, surge um múon, e assim por diante. A grande parte dos neutrinos que atingem a
Terra vindos do espaço, transpassam-na como se fosse transparente e saem do ouro lado. O
laboratório do grupo Minos, no Fermilab, nos EUA, produz neutrinos em grande quantidade
para seu estudo. Os neutrinos são o segundo elemento mais abundante no universo, perde
apenas para o fóton. (PERES, et al. IFGW).
A Figura 1.7 mostra o detector de neutrinos do experimento Minos, nos EUA.
Figura 1.7: Um dos detectores de neutrinos do experimento Minos, nos EUA.
Fonte: http://portal.ifi.unicamp.br/drcc/gefan
Os bósons são os transmissores das interações na natureza, chamadas também de
partículas virtuais, possuem o spin inteiro e não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli,
18
eles se comportam seguindo a Estatística de Bose-Einstein. Entre eles temos os fótons, os
bósons W+, W- e Z, bóson de Higgs e glúons, teoricamente existe o gráviton também, mas
ainda não foi comprovada sua existência. Quanto mais baixa a energia de um sistema de
bósons, maior a probabilidade que as partículas estejam no mesmo estado (STEINKIRCH,
2010).
De acordo com o Modelo Padrão os bósons W (de cargas elétricas opostas) decaem de
forma independente. Um bóson W pode decair num par quark e antiquark ou lépton e
antilépton. Os cientistas querem observar este modo particular, em que os dois Bósons W
decaem em pares de lépton e antilépton, excluindo léptons tau por causa das dificuldades de
identificação deste. Os Físicos chamam a este modelo: H→WW→lνlν ou WW→lνlν, em que
l representa um elétron, muon, positron ou antimuon (BELUSSI, et. al; 2013).
A Figura 1.8 mostra os cinco tipos de bósons.
Figura 1.8: Os 5 tipos de bósons
Fonte: http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Brian_Yarmak/bosons.html
1.3 Interações fundamentais
Existem quatro tipos de interações fundamentais ou acoplamentos no modelo padrão:
eletromagnética (junção da eletricidade e do magnetismo), gravitacional, força forte (nuclear)
e fraca. Cada uma delas é correspondente a uma propriedade fundamental da matéria: a
interação forte é ligada à cor, a fraca ligada à carga fraca, a gravitacional à massa e a
eletromagnética à carga elétrica. Cada interação tem sua partícula mediadora, que pode não
ter massa, mas ter energia, ou seja, são pulsos de energia chamados de partículas virtuais
(MOREIRA, 2004).
O fóton media a interação eletromagnética; os bósons W+, W− e Z mediam a
interação fraca; os oito tipos dos glúons mediam a interação forte. Seis dos glúons são
19
classificados como pares de cores e de anti-cores. As outras duas espécies são uma mistura
mais complexadas cores e anti-cores; e os bósons de Higgs, que induzem a quebra espontânea
de simetria dos grupos de calibre são responsáveis pela existência da massa inercial
(STEINKIRCH, O modelo padrão). Exemplos de acoplamento eletromagnético é a interação
entre os elétrons e o núcleo do átomo e a emissão de raios X; a atração entre quarks é um tipo
de acoplamento de força forte, que também é responsável por manter os prótons unidos no
núcleo atômico; os decaimentos radioativos, por exemplo, o β (um nêutron decaindo para
próton pela emissão de um elétron e um neutrino) exemplifica a interação fraca; e a interação
gravitacional atua entre todas as partículas massivas, ela que nos mantém presos a terra e que
nos faz girar em torno do sol (é a interação mais fraca dentre todas) (MOREIRA, 2004).
A Tabela 1.1 é a representação esquemática das partículas que constituem a matéria
segundo o modelo padrão.
Tabela 1.1: Visão esquemática da constituição da matéria segundo o Modelo Padrão
Fonte: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1806-11172007000200001&script=sci_arttext
As interações fundamentais acontecem como se as partículas complementares
“trocassem” outras partículas entre si. Assim como partículas eletricamente carregadas
interagiriam trocando fótons, partículas com carga cor interagiriam trocando glúons,
20
partículas com carga fraca trocariam partículas W e Z enquanto partículas com massa
trocariam grávitons. Logo, as partículas de matéria (léptons, quarks e hádrons) interagem
trocando partículas virtuais (fótons, glúons, W e Z, e grávitons), (MOREIRA, 2009).
A Figura 1.9 representa as quatro interações fundamentais do modelo padrão:
eletromagnética, força fraca e forte e gravitacional.
Figura 1.9: As quatro interações fundamentais da Natureza e suas partículas elementares, inclusive o gráviton
(G, ainda não detectado).
Fonte: http://www.cienciamao.usp.br/cienciasfisicas/index.php?painel=32
Essas interações são descritas através de campos de força e os calculo de
amplitudes de probabilidade em Física de Partículas demanda a resolução de varias integrais
extensas e complicadas, que possuem um grande número de variáveis. Essas integrais têm
uma estrutura regular, portanto seus resultados podem ser alcançados graficamente através de
diagramas, os diagramas de Feynman. Esses diagramas foram ferramentas criadas por Richard
Feynman para calcular espalhamentos e reações na teoria quântica de campos. São um
conjunto de regras colocadas de forma gráfica para representar essas expressões matemáticas
que governam as interações entre as partículas elementares (STEINKIRCH, 2010)..
As partículas são representadas por linhas, que podem ser esboçadas de diferentes
maneiras, dependendo do tipo da partícula (em geral, férmions são representados por linhas
retas e bósons por linhas curvas). Os pontos onde linhas se encontram são chamados de
Vertex, esse ponto tem o valor da constante de acoplamento em questão. As linhas podem ser
de três tipos: internas (conectam dois vértices), entrando (momento inicial) e saindo
(momento final). A parte inferior do diagrama representa o momento inicial e a parte superior,
21
o final. O eixo vertical representa o tempo e o eixo horizontal não representa a distância entre
as partículas que interagem. Partículas que caminham no tempo, ditas externas, são reais e
representam o processo físico. As partículas internas, que não caminham no tempo, são
chamadas de partículas virtuais e não são observadas diretamente; elas representam, nos
diagramas de Feynman, os mecanismos envolvidos nas interações, (STEINKIRCH, 2010).
A Figura 1.10 e a representação de um diagrama de Feynman.
Figura 1.10: Diagrama de Feynman representando uma partícula interagindo com um fóton (o tempo decorre da
esquerda para a direita).
Fonte: http://cienciamestre.blogspot.com.br/2012/02/teoria-de-tudo_02.html
1.4 Outros conceitos no Modelo Padrão
Campo é um conceito essencial nas teorias sobre partículas elementares, possui
intensidade, energia, fluxo, extensão, duração, propagação, spin e muitas outras propriedades
relacionados a partículas materiais. As partículas são agrupamentos quantizados de algum campo, e
dele ganham essas propriedades descritas por grandezas mensuráveis. Os quanta desses campos são
as partículas mediadoras já citadas das interações fundamentais. Portanto, o fóton é a
quantização do campo eletromagnético, os glúons são a quantização do campo forte, o
gráviton é a quantização do campo gravitacional, e as partículas W+, W- ,Z° e bóson de Higgs
quantização do campo fraco (MOREIRA, 2004).
A Figura 1.11 é uma representação das interações entre as partículas elementares.
22
Figura 1.11: Representação das interações entre as partículas elementares
Fonte: http://sro0.wordpress.com/2012/07/17/particula-maldita-hugs-for-higgs/
O modelo padrão foi construído e dirigido através dos princípios da simetria, que pode
ser dividido em diversos grupos e que são matematicamente relacionadas à conservação de
certas propriedades. Uma das intervenções de simetria mais simples é a translação no espaço
(as leis físicas não dependem do local das coordenas de origem). Outra simetria importante
conhecida com Invariância de Gauge ou teoria de calibre prevê que todo o bóson de rotação
unitária, partículas virtuais, tem massa nula (m0 = 0), mostrando a contradição das massas
existentes nas partículas Z e W. (MOREIRA, 2009).
O Modelo padrão evoluiu de uma descrição do eletromagnetismo pela teoria de
campos quântica, a eletrodinâmica quântica (QED, descreve as interações fracas e
eletromagnéticas), para uma teoria mais ampla que junta às forças fraca e forte. A estrutura
teórica desse modelo se fundamenta no grupo de simetria de gauge. Ela interconecta três dos
quatro acoplamentos, a eletromagnética e as forças forte e fraca e seus respectivos grupos
(conjunto de operações que deixa o objeto em questão invariante). O modelo padrão é uma
teoria de calibre com grupo: SU(3) x SU(2) x U(1), no qual SU(3) representa a força forte,
SU(2) representa a força fraca, U(1) representa a força eletromagnética. O bóson de Higgs é o
único bóson na teoria que não é de calibre. Das quatro interações fundamentais existentes na
Natureza, o Modelo Padrão consegue associar as interações, eletromagnética e fraca, mas não
consegue unificar a interação forte com as outras, além de não explicar a interação
gravitacional, (STEINKIRCH, 2010).
A Figura 1.12 representa um campo quântico, que é a aplicação conjunta da mecânica
quântica e da relatividade aos campos que fornece uma estrutura teórica usada na física de
partículas e na física da matéria condensada.
23
Figura 1.12: Representação de campo quântico. A Teoria Quântica de Campos (eletrodinâmica quântica) é a
aplicação conjunta da mecânica quântica e da relatividade aos campos que fornece uma estrutura teórica usada
na física de partículas e na física da matéria condensada.
Fonte: http://allmirante.blogspot.com.br/2010/05/evolucao-por-supercordas-55-formidavel.html
A cada tipo de partícula há associada uma antipartícula, com mesma massa, mesmo
spin e carga oposta (com exceção dos bósons de gauge, que não tem massa) (STEINKIRCH,
2010).
Matéria e antimatéria se aniquilam mutuamente quando se encontram, e convertem sua
massa total em uma quantidade equivalente de energia (fóton, dada pela equação de Einstein
E = mc²) ou em outros pares de partícula/antipartícula. Há no universo uma assimetria
matéria/antimatéria, existe mais matéria do que antimatéria e são raras as antipartículas que
ocorrem naturalmente. Graças a essa assimetria é possível a existência de conjunto de massas
gigantes como planetas. Os pares partícula-antipartícula são normalmente observados nos
detectores de câmaras de neblina conforme figura abaixo (MOREIRA, 2009).
Os principais problemas do modelo padrão estão em não ter explicações quânticas
sobre a gravidade, não explicar as oscilações dos neutrinos, não esclarecer a predominância
no universo observável da matéria sobre a antimatéria (MOREIRA, 2009)..
A Figura 1.13 mostra a colisão de um elétron com um pósitron (antipartícula) e sua
aniquilação formando o fóton.
24
Figura 1.13: Formação e aniquilação. Quando um elétron e um pósitron colidem, eles se aniquilam, suas massas
são transformadas em fóton.
Fonte: http://www.astro.iag.usp.br/~ronaldo/intrcosm/Glossario/Antipart.html
2 O BÓSON DE HIGGS
2.1 O que é?
Bósons de Higgs são partículas elementares que foram teorizadas em 1964, pelo físico
Peter Higgs e que foram usadas por Steven Weinberg e Abdus Salam para explicar porque as
partículas virtuais, bósons W e Z, têm massa. Este bóson é a partícula (quantum) que forma o
Campo de Higgs, campo de energia que permeia todo o universo. Foi descoberto em julho de
2012 e a confirmação de sua existência foi dada em março de 2013 através das pesquisas do
CERN, especificamente no acelerador de partículas. Ele foi proposto porque não se entendia
como as partículas subatômicas adquiriam massas. Este campo deve interagir com as
partículas e lhes atribuir massa. As partículas massivas interagem mais diretamente com o
campo de Higgs e as partículas sem massa alguma não interagem com ele, (STEINKIRCH,
2010).
25
Em 1962 existia um paradoxo na teoria eletrofaca, formulada por Sheldon Glashow,
envolvendo os bósons W e Z, do porque elas possuem massa, sendo que as partículas virtuais
não devem ser mássicas de acordo com o Modelo Padrão e a simetria, pois mediam as
interações das partículas reais. A debilidade das interações fracas exigiria que essas partículas
tivessem massas elevadas, mas a simetria da teoria que explica essas interações estabelecia
que elas não tivessem massa. Esse impasse só acabaria se as massas dos bósons W e Z fossem
produzidas por outras partículas, no caso, os bósons de Higgs (MOREIRA, 2009).
A Figura 2.1 é uma representação fantástica do bóson de Higgs, sua procura mobilizou
vários cientistas de vários países.
Figura 2.1: A procura pelo bóson de Higgs mobilizou muitos cientistas a fim de se comprovar Modelo Padrão.
Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=tevatron-resultados-bosonhiggs&id=020115120702
De acordo com o chamado mecanismo de Higgs, quebra de simetria, os bosons W e Z
se chocariam com outras partículas existentes em todo o universo e interagiria com um campo
adquirindo massa, o campo de Higgs, o que explicariam suas massas. Ou seja, a massa das
partículas W e Z seriam dadas pela massa das partículas com as quais estariam
permanentemente chocando-se. Essas partículas foram essenciais para unificar as forças
eletromagnéticas e força fraca (teoria eletrofraca, desenvolvida em 1960), que explica todas as
interações dos léptons (MOREIRA, et. al. 2011)
A Figura 2.2 representa a quebra de simetria no campo de Higgs, é neste momento que
as partículas ganham massa.
26
Figura 2.2: Quebra de simetria no campo de Higgs
Fonte: http://physicsact.wordpress.com/2012/08/24/e-o-boson-de-higgs-a-quantas-anda/
A força eletrofraca esta sujeito a distancia e massa das partículas. Teoricamente em
altas energias as duas forças (fraca e eletromagnética) agem como um único fenômeno, em
quanto que em baixas energias elas estão desacopladas em fenômenos diferentes (SOUZA,
2004).
A Figura 2.3 mostra a colisão entre partículas e a formação do bóson Z e seu
decaimento.
Figura 2.3: Um bóson Z, uma possível cria de um bóson Higgs, decai em dois elétrons (verde) e dois múons
(vermelho).
Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fim-jogo-bosonhiggs#.U0F77qhdXXo
27
2.2 Observação
Acredita-se que o campo de Higgs surgiu há um trilionésimo de segundos após o Big
Bang, quando todas as partículas que foram criadas não possuíam massa e eram todas iguais,
apenas energia. Após a temperatura do universo ter baixado o suficiente, o campo de Higgs se
condensou em um certo valor maior que zero através de todo o espaço (GREENE, 2005).
É muito difícil observar o campo de higgs diretamente. Por esse motivo tem-se o
descobrimento do bóson envolveu grandes quantidades de energia para sua descoberta.
Através de colisões de partículas, que geram vibrações, que são detectadas como
partículas, no caso, o bóson de Higgs. Então, observar uma partícula em um acelerador,
por exemplo, é nada mais do criar e analisar vibrações em certos campos (GUIMARÃES,
2013).
A Figura 2.4 é uma analogia a excitação no campo de Higgs.
Figura 2.4: Uma excitação no campo de Higgs é interpretado como bóson de higgs.
Fonte: http://physicsact.wordpress.com/2012/08/24/e-o-boson-de-higgs-a-quantas-anda/
A abordagem de campos e vibrações mostra como o universo funciona em um
nível intenso e essencial. Esses campos abrangem todo o espaço. Alguns campos podem
interagir entre si, enquanto que outros não envolvem. Exemplo o campo eletromagnético
que pode interagir com os campos de partículas carregadas, mas não pode interagir com os
campos da força nuclear forte. Ou pode interagir indiretamente com o campo do glúon, em
primeiro lugar, fazendo vibrações nos quarks que, depois, fazem os glúons vibrar. Tudo
no mundo é o resultado de vibrações de muitos campos infinitamente grandes que ocupam
o universo (GUIMARÃES, 2013).
No vácuo (estado quântico de menor energia possível), o campo de Higgs recebe um
valor diferente de zero, que existe em todo lugar no universo a todo tempo. Este valor é
chamado de expectativa do vácuo (VEV) do campo de Higgs, que é constante e igual a 246
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GeV. O valor da expectativa do vácuo diferente de zero tem o papel fundamental de conferir
massa as partículas elementares, incluindo o bóson de Higgs. O ganho de um VEV diferente
de zero quebra com facilidade a simetria, esse é o mecanismo de Higgs (STEINKIRCH,
2010).
A Figura 2.5 representa o potencial do campo de Higgs, o ‘El Sombrero’
Figura 2.5: O potencial do campo de Higgs é chamado de 'El Sombrero' ou 'chapéu mexicano'.
Fonte: http://astro.sunysb.edu/steinkirch/reviews/sm07.pdf
O menor estado de energia do campo de higgs ocorre quando atinge um certo valor
não nulo, diferentemente dos outros campos (MOREIRA, 2009).
A maioria das partículas é instável e se decai após certo tempo, algumas podem ser em
segundos e se transformam em outras partículas menores e menos massivas, podem decair de
diferentes modos. O resultado das partículas formadas é chamado de canal de decaimento. O
bóson de Higgs é pesado, bastante instável e radioativo. É tão instável que decai antes mesmo
de percorrer qualquer distância mensurável no detector, só é observado os vestígios de seu
decaimento. Seu tempo de vida é de aproximadamente 10^-22 segundos. Conforme o
Modelo Padrão, o Bóson de Higgs pode decair em meia dúzia de padrões de trilhas
distintas, ou canais, como em dois bósons Z, dois fótons ou dois bósons W (BELUSSI, et.
al; 2013).
A influência da massa do bóson de Higgs se torna clara na Figura 2.6.
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Foto 2.6: Decaimento do bóson de higgs.
Fonte:http://atlas.physicsmasterclasses.org/fr/wpath_higgs.htm
O decaimento do bóson de Higgs em pares de bóson W era o decaimento mais
possível nas regiões ainda permitidas de valores de massa, como mostra o tracejado azul,
(WW). Devido o bóson de Higgs não possuir carga elétrica os bósons W apresentam cargas
opostas. Mas de acordo com o modelo padrão ele também pode se decair em fóton e férmions.
Mas nas ultimas colisões foram detectadas com o decaimento do bóson de Higgs, com
massa de 125 GeV, em léptons tau e quartks botton (BELUSSI, et. al; 2013).
Se um bóson de Higgs decair em 2 bósons W, a ocorrência irá se parecer com a
constituição normal de um par de bóson W (+ e -). Esse procedimento é possível de acordo
com o Modelo Padrão e não tem relação com a produção do bóson de Higgs. A técnica de
fabricação de pares de bósons W (sem influência do Bóson de Higgs) acontece com mais
frequência. Observando apenas as figuras dos acontecimentos não é possível distingui-los. Os
Físicos de Partículas chamam este procedimento de aumento da razão sinal/ruído (BELUSSI,
et. al; 2013).
De acordo com a revista Nature Physics, até as ultimas analises, sinais expressivos
foram demonstrados em canais onde o bóson decai para qualquer pare de γ γ, WW, ou ZZ,
como previsto pela teoria do Modelo Padrão. No geral, esses resultados confirmam
diretamente que a nova partícula está profundamente relacionada com o mecanismo de quebra
espontânea de simetria eletrofraca, em que os bósons W e Z tornam-se massivos e, portanto, é
proposta como um bóson de Higgs (Grupo CMS, 2014).
30
A Figura 2.7 demonstra diagramaticamente a formação de bósons W+ e W-
Figura 2.7: Representação diagramática da formação dos bósons W+ e WFonte: https://kjende.web.cern.ch/kjende/pt/wpath_lhcphysics2.htm
Para aumentar a razão sinal/ruído no modo de decaimento escolhido deve se notar o
ângulo entre os 2 leptons carregados (detectáveis) no plano transverso à linha de feixe. Este
ângulo é chamado de ângulo de abertura. Devido às relações entre spins das partículas
produzidas, espera-se que os acontecimentos com bósons de Higgs sejam mais
frequentemente associados a ângulos inferiores a 90º, enquanto que os acontecimentos com
pares de bósons W não provenientes de bósons de Higgs não têm nenhuma razão para ter
algum valor particular de ângulo, e por isso irão preencher os valores possíveis. Isto pode ser
bem observado em histogramas (BELUSSI, et. al; 2013).
A Figura 2.8 são dois diagramas de Feynman mostrando a produção e decaimento de
um bóson de Higgs e um acontecimento de fundo (neste caso é a produção de um par de
quarks top-antitop).
Figura 2.8: Produção e decaimento de um bóson de Higgs.
Fonte: http://kjende.web.cern.ch/kjende/pt/wpath_higgs.htm
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3 O GRANDE COLISOR DE HADRONS
3.1 O que é e como funciona
O grande colisor de hádrons (LHC, Large Hadron Collider) é um acelerador de
partículas (hadrons) construído a cerca de 100 metros de profundidade e com um anel de 27
km de extensão, sob a fronteira entre a França e Suíça. É parte de um projeto criado pela
Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN). Consumiu cerca de 6 bilhões de
dólares para a sua construção, é considera a maior máquina já construída pela homem e o
acelerador de maior energia existente. O LHC é também é tido como o maior experimento
científico da história e tem como objetivo analisar e comprovar experimentalmente teorias da
física de partículas e de campos, e também estudar a física envolvida no surgimento do
universo (MARTINS, 2010).
A Figura 3.1 é a vista aérea da rota do Grande Colisor de Hádrons, na fronteira entre a
França e Suíça.
Figura 3.1: Vista aérea da fronteira da Suíça com a França, indicando a rota do Grande Colisor de Hádrons.
Fonte: http://noticias.terra.com.br/ciencia/pesquisa/lhc-completa-5-anos-com-particula-de-deus-e-teoriasapocalipticas,223eab12a9001410VgnVCM20000099cceb0aRCRD.html
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Os amplificadores são usados para prover ondas de rádio que são lançadas na parte
interior de estruturas repercussivas chamadas de cavidades de frequência de rádio. O colisor é
formado por centenas de imãs supercondutores que tem a função é fazer com que o feixe de
prótons (que são extraídos do hidrogênio) faça curvas e permaneçam sempre em um fluxo
circular do anel. Todo o anel do LHC é refrigerado por um grande sistema de criogenia que
usa cerca de 120 toneladas de hélio líquido a uma temperatura próxima a 271ºC negativos,
por causa dos fios de liga de nióbio-titânio dos supercondutores que só são ativos a
temperaturas muito baixas. O LHC é um acelerador do tipo Ciclontron, que utiliza um campo
elétrico para acelerar as partículas e um campo magnético para direciona-las, sendo que
quanto maior for o campo elétrico maior vai ser a energia da partícula. A medida que passam
pelas cavidades de colisão, essas partículas retém e concentram parte dessa ondas de rádio.
(STEINKIRCH, 2010).
A Figura 3.2 mostra um supercondutor.
Figura 3.2: O supercondutor permite correntes altíssimas tendo como consequência a geração de campos
magnéticos muito intensos.
Fonte: http://www.ced.ufsc.br/men5185/trabalhos/64_efeito_meissner/lhc.html
As partículas são aceleradas com velocidades de aproximadamente 99,999994% da
velocidade da luz no vácuo, em um segundo chegam a dar 11 mil voltas no anel. Fenômenos
que acontecem nessa amplitude de velocidade são esclarecidos pela relatividade especial de
Einstein, segundo a qual tempo e espaço não são absolutos, ou seja, em referenciais
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diferentes, as medidas de cada uma das grandezas são diferentes. Uma das decorrências desse
fato é o fenômeno da dilatação temporal: quando qualquer coisa se move com a velocidade
próxima à da luz, seu tempo parece passar mais lentamente. Este efeito não é notado em
velocidades habituais, mas, para uma partícula que viaja quase à velocidade da luz, o tempo
passa muito mais devagar tempo suficiente para que ela percorra um espaço maior do que era
esperado e possa ser detectada. (PEREIRA, 2011).
Abaixo a Figura 3.3 demonstra uma colisão entre partículas. Elas são aceleradas em
sentidos opostos e se chocam em um determinado ponto.
Figura 3.3: As partículas (prótons) são acelerados em sentidos opostos para que se choquem e se quebrem em
centenas de partículas de massas variadas.
Fonte: http://fotografia.folha.uol.com.br/galerias/8449-fisicos-encontram-provavel-particula-de-deus
3.2 Detectores
Para investigar os desígnios de pesquisa do LHC existem quatro detectores principais
em funcionamento em pontos diferentes do seu anel: ATLAS, CMS, LHCb e ALICE. As
partículas são forçadas a se colidirem nesses pontos para que sejam detectadas.
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) é um detector arquitetado para o estudo da
colisão entre íons pesados. Os choques de núcleos de chumbo são observadas com energia do
centro de massa de 2,76 TeV por núcleo. A colaboração ALICE estuda o plasma quark-glúon,
como ele se expande e esfria, analisando como ele continuamente origina as partículas que
compõem a matéria do nosso universo hoje. Mas pretendem também que sejam pesquisados
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algumas outras partículas formados nas colisões dos íons pesados, como múons e fótons.
Fornecendo energia de mais de 100 mil vezes a energia do sol, pretende-se que a temperatura
criada e a densidade de energia após as colisões sejam grandes o suficiente para originar o
plasma de quarks e glúons, uma fase da matéria em que quarks (partículas elementares que
formam, por exemplo, os prótons e nêutrons) e glúons (partículas mediadoras da interação
forte) estão confinados (PEREIRA, 2011).
A Figura 3.4 é um desenho esquemático do detector ALICE.
Figura 3.4: Desenho esquemático do ALICE
Fonte: http://resenha-on.blogspot.com.br/2010/11/universo-era-liquido-logo-depois-do-big.html
ATLAS (Aparato Toroidal do LHC) é um detector onde feixes de prótons se chocam
com energia do centro de massa de até 7 TeV. Mede 46 metros de comprimento por 25 de
largura e 25 de altura, é o maior dos detectores. Em seu interior existe um aparelho, o
rastreador interno, que detecta e avalia momento que as partículas passam. Existem seis
subsistemas diferentes que analilsam o ponto de colisão. Os principais objetivos do detector
ATLAS são: detectar o bóson de Higgs (confirmado em março de 2013), estudar partículas
supersimétricas, dimensões extras (super cordas) e buracos negros; pesquisar por que a
matéria do Universo é dominada pela matéria escura; conseguir medidas mais precisas para
aperfeiçoar o modelo padrão, como as da massa e do tamanho do bóson W (PEREIRA, 2011).
Abaixo a Figura 3.5 mostra um desenho esquemático do ATLAS.
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Figura 3.5: Desenho esquemático do ATLAS.
Fonte: http://kjende.web.cern.ch/kjende/pt/atlas.htm
CMS (Compact Muon Solenoid,) é um detector de múons que também detecta fótons,
elétrons, hádrons e até a identifica neutrinos. O solenóide do CMS é uma bobina de fio
supercondutor que gera um campo magnético de 4 Tesla, cerca de 100 mil vezes maior que o
campo terrestre. O detector do CMS opera como um amplo filtro em forma de “cebola
cilíndrica”, pois é formada de diferentes camadas, cada uma projetada para parar e detectar os
diversos tipos de partículas, que podem ser criados das colisões próton-próton e entre íons
pesados. CMS foi projetado para estudar propriedades de partículas antecipadamente
conhecidas com uma ótima precisão (PEREIRA, 2011).
A Figura 3.6 é uma imagem esquemática do CMS.
Figura 3.6: Imagem esquemática do CMS
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Solenoide_de_Múon_Compacto
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LHCb (Large Hadron Collider beauty), onde beauty faz referencia ao quark bottom
(quark b), é um experimento criado para medidas precisas da vquebra de simetria de carga e
paridade e para a pesquisa dos decaimentos incomuns de mésons com os quarks b e anti-b, um
conjunto conhecido por méson b. Esse detector foi especificamente arquitetado para capturar
essas partículas e o resultado do seu decaimento. Ele estende-se por um comprimento de 20 m
ao longo do tubo do LHC, com os seus subdetectores montados um ao lado do outro,
diferentemente do CMS. Cada um dos subdetectores do LHCb é específico na detecção e
analise de uma característica diferente das partículas geradas pela colisão de hádrons.
Coletivamente, os componentes do detector são capazes de reunir informações sobre a
identidade, a trajetória, o momento e a energia de cada partícula gerada e podem também
identificar partículas entre as bilhões que surgem a partir da colisão (PEREIRA, 2011).
A Figura 3.7 é um desenho esquemático do LHCb.
Figura 3.7: Desenho esquemático do LHCb.
Fonte: http://www.hep.phy.cam.ac.uk/lhcb/
Um dos principais objetivos do LHC é comprovar a existência do bóson de Higgs,
(feito em 2013). Esse acelerador de partículas recria as condições existentes nos primeiros
instantes do aparecimento do universo, para que possa ser observado e estudado as condições
do espaço neste exato momento e com isso constatar e provar a existência do Bóson de Higgs.
Os detectores responsáveis por observar essa partícula são o ATLAS e o CMS. O bóson de
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Higgs se decai tão rapidamente que ele sequer chega a atingir os detectores. Assim, o que
estes registram não é o bóson em si, mas as partículas "secundárias" nas quais ele decai. São,
então, analisadas as energias e as direções do movimento dessas partículas. Estes decaimentos
deixam rastros nos detectores do LHC permitindo o seu estudo (MARTINS, 2010).
A Figura 3.8 é uma representação esquemática da localização dos detectores no LHC.
Figura 3.8: Localizações dos detectores do LHC.
Fonte: http://people.physics.tamu.edu/kamon/research/refColliders/LHC/LHC_is_back.html
A primeira execução física do LHC começaram em 30 de março de 2010, com uma
energia de centro de massa de 8 TeV (trilhões de eletron volts), ou seja, a energia de prótons
de 3,5 GeV (gigaeletron volts) por feixe. Isso foi suficiente para procurar novas partículas
com massa abaixo de 1 TeV. Ele foi desligado em 2013 para torna-lo mais potente e seguro.
Foi religado novamente dia 05 de Abril de 2015 com a possibilidade de chegar a
experimentos com níveis de energia de ate 13 TeV, e esperam agora encontrar e estudar
partículas mais pesadas. Os estudos sobre o bóson continuarão encontrar e estabelecer suas
propriedades ainda será um desafio (CERN, 2015).
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao longo de décadas cientistas de todo o mundo tentam explicar sobre interações das
partículas e de onde tudo surgiu, na tentativa de encontrar um caminho para essas explicações,
criaram o Modelo Padrão, que esclarece grande parte das duvidas sobre o universo. E graças à
criação dos colisores foi e é possível estudar essas interações invisíveis aos olhos, na pratica.
Ao determinar a existência do bóson de Higgs foi possível comprovar a teoria do
Modelo Padrão, que seria um grande passo a frente ao conhecimento sobre o cosmos. Graças
a teoria criada por Peter Higgs para preencher o buraco das indagações sobre o modelo, massa
das partículas bosonicas, que foi possível dar continuidade as pesquisas em cima desse
modelo. Para Higgs, quando aconteceu a grande explosão do Big Bang, há 14 bilhões de anos,
todas as partículas eram apenas energia e existiria algo que interagia com elas e que as dava a
propriedade massiva.
A descoberta da existência dessa partícula em simulações no LHC, explica como as
partículas adquirem massas tão diferentes umas das outras. Logo a descoberta do bóson de
Higgs confirma as teorias criadas nas ultimas décadas dando sentido a continuidade das
pesquisas em cima do Modelo Padrão, mostrando que os cientistas não estão indo pelo
caminho errado e levando a possibilidade da descoberta de outras incógnitas que até então
não foram explicadas pelo Modelo Padrão.
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