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3 perguntas: Philip Harris na primeira observação do decaimento do bóson de Higgs há muito previsto

Ver a decadência do bóson de Higgs pode ajudar os físicos a entender por que o universo tem massa.

Uma foto de close-up do centro brilhante de um aglomerado de estrelas. Foto da NASA no Unsplash

Ver a decadência do bóson de Higgs exigiu um foco de “olho mágico”; pode ajudar os físicos a entender por que o universo tem massa.

Jennifer Chu | MIT News Office
28 de agosto de 2018

Hoje, cientistas do CERN, a Organização Européia para Pesquisa Nuclear, anunciaram que, pela primeira vez, observaram o bóson de Higgs se transformando em partículas elementares conhecidas como quarks bottom à medida que decai. Os físicos previram que esta é a maneira mais comum pela qual a maioria dos bósons de Higgs deve decair, mas até agora, tem sido extremamente difícil captar os sinais sutis da decadência. A descoberta é um passo significativo para entender como o bóson de Higgs dá massa a todas as partículas fundamentais do universo.

Os cientistas fizeram sua descoberta usando os detectores ATLAS e CMS, dois grandes experimentos projetados para analisar as colisões de partículas de alta energia geradas pelo Large Hadron Collider (LHC) do CERN - o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo.

Os bósons de Higgs, descobertos pela primeira vez em 2012, são uma raridade incrível e são produzidos em apenas uma em cada bilhão de colisões do LHC. Uma vez que passam a existir, as partículas desaparecem quase imediatamente, decaindo em um fluxo de partículas secundárias. O modelo padrão da física, que é a teoria mais amplamente aceita para descrever as interações da maioria das partículas no universo, prevê que quase 60 por cento dos bósons de Higgs devem decair em quarks de fundo, partículas elementares que têm cerca de quatro vezes a massa de um próton .

As equipes ATLAS e CMS passaram vários anos refinando técnicas e incorporando mais dados em sua busca por esse decaimento mais comum do bóson de Higgs. Ambos os experimentos finalmente confirmaram que, pela primeira vez, eles viram evidências de um bóson de Higgs decaindo para um quark bottom, com um grau de confiança estatisticamente alto.

Físicos do MIT no Laboratório de Ciência Nuclear estiveram envolvidos na análise e interpretação de dados para esta nova descoberta, incluindo Philip Harris, professor assistente de física. MIT News conversou com Harris, que também é membro do experimento CMS, sobre a busca alucinante por uma transformação que desaparece, e como a nova descoberta de Higgs pode ajudar os físicos a entender por que o universo tem massa.

P: Coloque esta descoberta no contexto para nós um pouco. Quão significativo é que sua equipe tenha observado o bóson de Higgs decaindo para quarks bottom?

R: O bóson de Higgs tem dois mecanismos distintos: ele dá massa às partículas de força envolvidas nas interações eletrofracas, a força responsável pelo decaimento beta nuclear; e dá massa às partículas fundamentais dentro do átomo, os quarks e os léptons (como elétrons e múons). Apesar de ser responsável por ambos os mecanismos, a descoberta de Higgs e as subsequentes medições das propriedades de Higgs foram amplamente realizadas com as partículas de força eletrofraca. Só recentemente observamos diretamente as interações de Higgs com a matéria. Essa medição, o bóson de Higgs decaindo para um quark inferior, é a primeira vez que observamos diretamente as interações de Higgs para quark. Isso confirma que os quarks realmente obtêm massa do mecanismo de Higgs.

P: Quão difícil foi fazer essa detecção e como ela foi finalmente observada?

R: Aproximadamente 60 por cento de todos os decaimentos de Higgs são para quarks bottom. Este é o maior canal de decaimento do bóson de Higgs. No entanto, é também o canal que tem o maior ruído de fundo [ruído das partículas circundantes]. Dependendo de como você conta, é cerca de um milhão de vezes maior do que os canais que usamos para descobrir o bóson de Higgs.

As pessoas gostam de comparar as medidas de Higgs com encontrar uma agulha em um palheiro. Aqui, acho que uma analogia mais apropriada é um estereograma do olho mágico. Você está procurando uma grande distorção nos dados que é muito difícil de ver. O truque de tentar ver essa distorção é como um olho mágico: você precisa descobrir como focar corretamente.

Para calibrar nosso “foco”, examinamos a partícula de força eletrofraca, o bóson Z, e seu decaimento para quarks bottom. Assim que pudemos ver o bóson Z indo para os quarks bottom, definimos nosso alvo para o bóson de Higgs e lá estava ele. Devo enfatizar que, para ver essa distorção com clareza, tivemos que contar com uma tecnologia que estava em sua infância na época da descoberta do bóson de Higgs, incluindo alguns dos avanços mais recentes no aprendizado de máquina. Na verdade, apenas alguns anos atrás, foi ensinado em sua aula de física de partículas padrão que era impossível observar os decaimentos de Higgs em alguns desses canais.

P: A descoberta original do bóson de Higgs foi apresentada como uma descoberta marcante que acabará por revelar o mistério de por que os átomos têm massa. Como essa nova descoberta da decadência de Higgs ajudará a resolver esse mistério?

R: Seguindo a descoberta do bóson de Higgs, aprendemos muito sobre como o mecanismo de Higgs dá massa a diferentes partículas. No entanto, muitos argumentariam que, após a descoberta do bóson de Higgs, a física de alta energia ficou ainda mais interessante porque está começando a parecer que nossa visão convencional da física de partículas não se encaixa perfeitamente.

Uma das melhores maneiras de testar nossa visão é medindo as propriedades do bóson de Higgs. O decaimento do quark de Higgs para o fundo é essencial para este entendimento porque nos permite sondar diretamente as propriedades das interações de Higgs e da matéria do quark e por causa de sua grande taxa de decaimento, o que significa que podemos medir o bóson de Higgs em todos os tipos de cenários que não são possíveis com outros modos de decaimento.

Essa observação nos dá uma ferramenta nova e poderosa para sondar o bóson de Higgs. Na verdade, como parte dessa medição, fomos capazes de medir os bósons de Higgs com energias mais do dobro da energia dos bósons de Higgs mais elevados observados anteriormente.

Reproduzido com permissão de MIT News