Classificação | partícula elementar |
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Composição | elementar |
Família | bóson |
Grupo | campo eletrofraco de Higgs |
Símbolo | H 0 |
Massa |
125,38 ± 0,14 GeV (CMS 2020) 125,35 ± 0,15 GeV (CMS 2019)124,97 ± 0,24 GeV (ATLAS 2018) 125,03+0,26 −0,27( estatística )+0,13 −0,15( sys ) GeV c −2 (CMS 2014) 125,36 ± 0,37 (stat) ± 0,18 (sys) GeV c −2 (ATLAS 2014) |
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Carga elétrica | 0 C |
Carga de cor | 0 |
Rodar | 0 |
Paridade | +1 |
Tempo de vida | 1,56 × 10 −22 s ( modelo padrão ) |
Predição |
François Englert e Robert Brout Peter Higgs G. Guralnik , Carl Richard Hagen e Thomas Kibble (1964) |
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Descoberta |
4 de julho de 2012 (de Anúncios) 15 de março de 2013 (confirmação) |
O bóson de Higgs , também conhecido por outros nomes como bóson BEH ou partícula de Deus , é uma partícula elementar cuja existência, postulada independentemente em 1964 por François Englert e Robert Brout , por Peter Higgs e por Gerald Guralnik , Carl Richard Hagen e Thomas Kibble , ajuda explicar a quebra da interação eletrofraca unificada em duas interações através do mecanismo Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble e, assim, explicar por que algumas partículas têm massa e outras não. A sua existência foi confirmada experimentalmente em 2012 graças à utilização do LHC e levou à atribuição do Prémio Nobel de Física a François Englert e Peter Higgs em 2013 .
O Higgs Higgs quântico de campo de Higgs , dá uma massa não-zero os bosões calibre da interacção fraca ( o W e Z Higgs ), conferindo-lhes propriedades diferentes daquelas do Higgs da interacção electromagnética , o fotão .
Essa partícula elementar constitui um dos pilares do Modelo Padrão da física de partículas . O conhecimento de suas propriedades também pode orientar a pesquisa para além do Modelo Padrão e abrir caminho para a descoberta de novas físicas , como a supersimetria ou matéria escura .
O 4 de julho de 2012, CERN anuncia em uma conferência que identificou, com um nível de confiança de 99,999 97% (5 σ ), um novo bóson em um domínio de massa da ordem de 125-126 GeV c −2 , que parece compatível com o de Bóson de Higgs. O anúncio é seguido, o17 de setembro de 2012Pela publicação de dois artigos na revista Physics Letters B . O15 de março de 2013, CERN confirma que, com toda a probabilidade, é realmente o bóson de Higgs.
O símbolo do bóson de Higgs é H 0 .
O modelo padrão da física de partículas apenas prevê a existência de um único bóson BEH: é conhecido como um “bóson de Higgs padrão” . Das teorias além do Modelo Padrão , como a supersimetria , permitem a existência de vários bósons desse tipo de massas e propriedades diferentes .
A busca pelo bóson escalar (ou bóson de Higgs) é uma das prioridades do LHC , o acelerador de partículas sucessor do LEP no CERN , em funcionamento desde10 de setembro de 2008. O estado da pesquisa emdezembro de 2011não permite concluir pela existência do bóson de Higgs, mas é sustentado durante um seminário organizado então no CERN que sua própria energia, se existir, deve provavelmente estar na faixa de 116 - 130 GeV de acordo com os experimentos ATLAS e 115 - 127 GeV de acordo com os do CMS . O LHC ou o Tevatron ( colisor de prótons e antiprótons ) poderia descobrir um bóson de Higgs que satisfaça o modelo padrão ou cinco bósons de Higgs (três neutros e dois carregando cargas elétricas) dependendo da previsão do modelo supersimétrico .
Em um anúncio oficial muito antecipado, o CERN tem, o 4 de julho de 2012, confirmou aos meios de comunicação a existência, com probabilidade suficiente de 5 σ de certeza (correspondendo a 99,9999%), de uma partícula que apresenta características consistentes com as esperadas do bóson de Higgs. Outras propriedades devem ser medidas, em particular a taxa e os modos de decaimento desta partícula, para uma confirmação definitiva, o que não põe em causa a natureza muito provável desta descoberta. Essa identificação, portanto, ainda não significa que seja necessariamente o bóson de Higgs que foi descoberto; provavelmente serão necessários mais alguns anos de pesquisa para estabelecê-lo.
Em 14 de março de 2013, o CERN emitiu um comunicado à imprensa no qual indicava que o bóson recém-descoberto "parece cada vez mais" com um bóson de Higgs, embora ainda não seja certo se é do bóson de Higgs do modelo padrão .
O 28 de agosto de 2018, Físicos do CERN anunciam que detectaram, usando detectores Atlas e CMS, o decaimento do bóson em um par de quarks bottom, confirmando assim o modelo padrão.
A existência do bóson escalar (Higgs) é muito breve para ser detectado diretamente: podemos apenas esperar observar seus produtos de decaimento, ou mesmo os produtos de decaimento deste último. Além disso, eventos envolvendo partículas comuns podem produzir um sinal semelhante ao produzido por um bóson de Higgs.
Além disso, uma partícula só pode ser observada em um detector com energias maiores ou iguais à sua própria massa . Além disso, é abusivo falar de massa para tal partícula, uma vez que no modelo a massa não é mais uma característica intrínseca das partículas, mas uma medida de suas interações com o campo de Higgs .
Finalmente, a complexidade dos fenômenos envolvidos tanto na produção quanto na detecção desses bósons leva ao raciocínio em termos de estatísticas ao invés de em termos de 100% de identificação formal do bóson.
Assim, para afirmar uma descoberta em física de partículas, a probabilidade de erro deve ser inferior a 0,00006%, correspondendo a um intervalo de confiança de 5 σ . Essa abordagem estatística, portanto, implica causar um grande número de colisões durante os experimentos para chegar a esses níveis de probabilidade.
A detecção direta da existência do bóson de Higgs requer o uso de detectores específicos com aceleradores de partículas . Os seguintes experimentos tentam ou tentaram detectar o bóson de Higgs:
na LEP ( colisor elétron - pósitron ) ALEPH , DELPHI , L3 e OPAL . Para a pesquisa do bóson de Higgs, LEP falha por sua energia relativamente baixa. LEP operou de 1989 a 2000. no Tevatron (colisor próton-antipróton) DØ e CDF . Apesar de sua energia máxima sete vezes menor que a do LHC, o Tevatron permite menos ruído de fundo para colisões, e o uso de colisões próton-antipróton pode resultar em eventos específicos que não ocorrem em colisores de prótons. / Prótons como o LHC. O Tevatron operou de 1983 a 2011. no LHC ( colisor próton-próton ) ATLAS e CMS . O LHC está em operação desde 2009.Outros instrumentos, incluindo colisores lineares de elétron-pósitron, como o International Linear Collider ( ILC ) e o Compact Linear Collider ( CLIC ), atualmente em estudo, poderiam facilitar a identificação do bóson de Higgs e o melhor entendimento dos mecanismos envolvidos.
Durante algum tempo, pensou-se que o bóson de Higgs havia sido detectado no LEP em 2000 . A significância estatística foi no entanto muito baixa para esta demonstração ser garantida. Estudos realizados em 2002 no LEP permitiram concluir que existe uma probabilidade de 8% de que os eventos observados possam ser explicados sem envolver o Higgs.
Os experimentos CMS e ATLAS no LHC anunciaram em dezembro de 2011 para observar excessos coerentes em torno de 124 a 126 GeV c- 2 . Esses excessos, menos de três vezes o desvio padrão , entretanto, não são suficientemente estatisticamente significativos para validar com certeza a descoberta do bóson de Higgs.
Experiências passadas e atuais levam a excluir esta massa em repouso do bóson de Higgs de certos intervalos:
A energia limpa do bóson de Higgs é estimada em 2012 em (125,3 ± 0,6) GeV c −2 .
Além de várias centenas de GeV / c², a existência do bóson de Higgs padrão é questionada pela teoria.
Várias perguntas foram feitas sobre, entre outras coisas, o mecanismo e a massa dos bósons . Para responder a essas perguntas, a noção de quebra de simetria é introduzida na teoria eletrofraca .
As regularidades no comportamento das partículas são chamadas de simetrias e estão intimamente relacionadas às leis de conservação . A simetria também está relacionada ao conceito de invariância: se uma mudança feita em um sistema físico não produz nenhum efeito observável, o sistema é considerado invariante à mudança, o que implica simetria (ver teorema de Noether ).
A unificação eletrofraca é baseada no conceito de que as forças são geradas pela troca de bósons. Quando dizemos que há uma força entre dois férmions (spin meio-inteiro), também está dizendo que eles estão trocando bósons. A partir daí devemos entender como os bósons que transmitem as forças fundamentais adquirem massa. No caso da unificação eletrofraca, como os bósons W ± e Z ° adquirem massa quando o fóton não?
As simetrias de calibre requerem que os transmissores de força (bóson de calibre) não tenham massa. Para contornar o problema da massa dos bósons, Salam , Glashow e Weinberg tiveram que inventar um mecanismo para quebrar a simetria de calibre permitindo que W ± e Z ° adquirissem uma massa. Tais mecanismos foram desenvolvidos em outros contextos por vários teóricos: Yoichiro Nambu , Jeffrey Goldstone , Sheldon Glashow, Peter Higgs e Philip Warren Anderson .
A ideia é postular a existência de um novo campo, apelidado de campo de Higgs .
Ao contrário de todos os outros campos conhecidos, como o campo eletromagnético , o campo de Higgs é um campo escalar e tem um valor constante diferente de zero no vácuo. O campo de Higgs seria diferente de outros campos em que, em baixa temperatura (energia), o espaço "preferiria" ser preenchido com partículas de Higgs do que não. Os bósons W ± e Z ° interagem com esse campo (ao contrário do fóton) e se movem pelo espaço como se estivessem se movendo em um “melaço” espesso. Dessa forma, eles adquirem massa efetiva. Em alta temperatura (energia), as interações no campo de Higgs são tais que o espaço não é mais preenchido com este melaço de Higgs (um pouco como se a temperatura tivesse fluidizado o melaço), W ± e Z ° perdem sua massa e o a simetria entre W ± , Z ° e o fóton não é mais quebrada, é “restaurada”. Diz-se que é manifesto. A massa de um férmion ou bóson seria, portanto, apenas uma manifestação dessa interação das partículas com o campo de Higgs no qual elas “se banham”.
O campo de Higgs preserva a simetria em alta energia e explica a quebra da simetria em baixa energia. É responsável pela massa dos bósons eletrofracos, mas também interage com férmions (quarks e léptons), que assim adquirem “massa”. Os mais leves são os neutrinos , que até recentemente se acreditava ter massa zero; em seguida, vem o elétron com massa de 0,511 MeV c −2 . No topo da escala está o quark top , que é de longe a partícula elementar mais pesada com seus 175 GeV c- 2 .
Partículas elementares (bósons, férmions) adquirem massa por causa do campo de Higgs, mas por que cada partícula adquire uma massa diferente, ou mesmo não adquire massa alguma como no caso do fóton? Por que a intensidade da afinidade das partículas com o campo de Higgs - chamado de acoplamento - é tão diferente de partícula para partícula e, portanto, como explicar essa hierarquia de massas? Hoje, não sabemos as respostas para essas perguntas, e a teoria do bóson de Higgs sozinha não pode respondê-las.
O físico de partículas elementares David J. Miller comparou o bóson e o mecanismo de Higgs a um coquetel que reunia membros de um partido político.
O campo de Higgs é comparado ao grupo de pessoas que inicialmente preenche uma sala de estar de maneira uniforme. Quando uma figura política conhecida entra na sala, ela atrai ativistas ao seu redor, o que lhe dá uma "massa" significativa. Essa reunião corresponde ao mecanismo de Higgs, e é ele quem atribui massa às partículas.
Não é o bóson que dá massa diretamente às partículas: o bóson é uma manifestação do campo de Higgs e do mecanismo de Higgs que, por sua vez, dá massa às partículas. Isso é comparável, nesta metáfora, ao seguinte fenômeno: uma pessoa de fora, do corredor, espalha um boato para as pessoas perto da porta. Uma multidão de militantes se forma da mesma maneira e se espalha, como uma onda, pela sala para transmitir informações: essa multidão corresponde ao bóson de Higgs.
A observação do bóson de Higgs seria, portanto, uma indicação muito forte da existência do mecanismo de Higgs, mas ele poderia existir mesmo se o próprio bóson não existisse.
Apenas 1% da massa da matéria comum pode ser considerada causada pelo bóson de Higgs. Na verdade, a matéria comum é feita de átomos, eles próprios compostos de elétrons e núcleons (prótons e nêutrons). No entanto, a massa dos elétrons é muito baixa, e 99% da massa dos núcleons vem da energia de ligação (pela força forte) entre os quarks, eles próprios também muito leves.
O próprio Higgs não reivindica a paternidade de forma alguma, alguns, como François Englert , acreditam que seja mais relevante chamar essa partícula de "bóson BEHHGK", para Brout , Englert , Higgs , Hagen , Guralnik e Kibble , às vezes simplificado em "bóson BEH" para Brout, Englert e Higgs (o último nome sendo adotado para 47 são Rencontres de Moriond em física de partículas em La Thuile em 2012), ou para chamar de "massa do bóson escalar" ou "quebra de simetria espontânea do bóson (BSS) escalar".
“Nosso artigo apareceu na Physical Review Letters de 31 de agosto de 1964, quando o artigo de Higgs foi apenas adiado. E este cita nosso texto. Portanto, temos a precedência. O que Peter Higgs reconhece prontamente. Digamos que houve uma co-descoberta, de forma independente, mas complementar. A abordagem matemática era diferente. Não nos conhecíamos. Começamos a chamar essa partícula de “bóson de Higgs” e não mudamos, enquanto os cientistas sabem que é o “bóson de Brout-Englert-Higgs” e o campo BEH. Prefiro chamá-lo de forma ainda diferente, ou seja, “bóson escalar” e “campo escalar”, que melhor descreve a estrutura desse bóson. "
- François Englert, entrevistado em La Libre Belgique
As designações "partícula-Deus" e "partícula de Deus" são duas traduções do apelido " partícula divina " . Este apelido é na verdade uma modificação imposta pelo editor do livro de Leon Lederman , que havia escrito " The Goddamn Particle " (palavra por palavra "a partícula maldita", em francês executando "a partícula maldita" ou "a partícula maldita"). Esses nomes, amplamente usados pela mídia, são geralmente condenados pelos físicos.