Numa história científica de fantasmas, um esmagador de átomos dos EUA deu uma importante contribuição científica 3,5 anos após o seu encerramento. Os cientistas relatam que o colisor de Tevatron em Batavia, Illinois, forneceu novos detalhes sobre a natureza do famoso bosão de Higgs – a partícula que é a chave para a explicação dos físicos de como outras partículas fundamentais obtêm a sua massa e a peça numa teoria chamada modelo padrão. O novo resultado reforça o caso de que o Higgs, que foi descoberto num outro destruidor de átomos, encaixa exactamente nas previsões do modelo padrão.
“Este é um trabalho muito interessante e importante, porque é um mecanismo diferente” para sondar as propriedades do Higgs, diz John Ellis, um teórico do King’s College London e do CERN que não esteve envolvido no trabalho. “Esta é a canção do cisne” para o Tevatron, diz ele.
O Tevatron, um colisor em forma de anel com 7 quilómetros de comprimento no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) em Batavia, Illinois, funcionou de 1983 até Setembro de 2011. Viu pistas do bosão de Higgs mas nunca descobriu realmente a partícula. Essa honra foi para os físicos que trabalhavam no Large Hadron Collider (LHC), um destruidor de átomos com 27 quilómetros de comprimento no CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra, Suíça. Anunciaram a sua descoberta em Julho de 2012.
A partir do momento em que os físicos do LHC descobriram os Higgs, pregaram a sua massa: 125 giga-electron volts, ou cerca de 133 vezes a massa do protão. Mas a partícula tem também outras propriedades características. Como todas as partículas fundamentais, o Higgs tem uma quantidade fixa e quantizada de impulso angular ou spin. Tem também uma propriedade de simetria chamada paridade, que pode ser uniforme ou estranha e que afecta, por exemplo, a forma como os Higgs podem decompor-se em outras partículas. De acordo com o modelo padrão, os Higgs devem ter rotação zero e paridade positiva. No entanto, é concebível que a partícula observada possa ter rotação zero e paridade negativa ou duas unidades de rotação e paridade positiva. Muitos físicos ficariam entusiasmados se os Higgs tivessem uma “spin-parity” tão exótica, pois apontaria para novos fenómenos não previstos pelo modelo padrão.
De facto, os experimentadores que trabalham com os dois maiores detectores de partículas alimentados pelos dispositivos de LHC-massivos chamados ATLAS e CMS – já demonstraram com grande certeza que o bóson Higgs tem zero spin e até paridade. Para isso, estudaram a decomposição dos Higgs em partículas familiares, tais como um par de fotões ou um par de partículas maciças chamadas bósons Z. A partir das distribuições angulares dessas partículas filhas emergentes, os físicos foram capazes de determinar o spin e a paridade do pai Higgs.
Os investigadores que trabalhavam com os dados de Tevatron tomaram um rumo diferente. Em vez de estudarem as decadências dos Higgses, procuraram sinais de um Higgs produzido em conjunto com um bóson Z ou um bóson W, partículas que transmitem a fraca força nuclear, como explicam num artigo publicado em Physical Review Letters. (Assumiu-se que os Higgs se decomporiam num par de partículas conhecido como um quark inferior e um quark antibottom). A partir das energias e momenta dos Higgs e do seu parceiro, os investigadores calcularam então uma quantidade chamada massa invariante para o par. Se os Higgs e o parceiro nascessem da decomposição de uma única partícula mãe, esta quantidade seria a massa desse pai. Na realidade, os Higgs e o seu parceiro emergiriam directamente do caos da colisão da partícula, pelo que a partícula mãe é puramente hipotética.
p>No entanto, ao calcular a massa dessa partícula mãe hipotética, os investigadores conseguiram testar diferentes combinações de spin e paridade por procuração. Se os Higgs tivessem características de spin-parity “exóticas” em vez das características do modelo padrão, a massa invariante observada seria mais elevada. Assim, os investigadores que trabalhavam com os dois detectores de partículas alimentados pelo Tevatron-CDF e D0 procuraram pares de massa invariantes tão elevados. Não encontrando nenhum, descartaram versões ainda mais exóticas dos Higgs. Assim, embora os físicos de Tevatron nunca tenham observado conclusivamente o bosão Higgs, conseguiram impor limites às suas propriedades.
Tecnicamente, os novos limites de Tevatron são ligeiramente mais fortes do que os limites estabelecidos pelas experiências LHC, diz Dmitri Denisov, um físico de Fermilab que trabalha em D0. Mas Ellis do CERN diz que ATLAS e CMS já tinham essencialmente resolvido a questão.
De facto, os investigadores de Tevatron perderam uma oportunidade de recolher os seus homólogos de LHC sobre a rotação e paridade dos Higgs, diz Ellis. Poucas semanas depois dos investigadores do LHC terem descoberto os Higgs, Ellis e colegas explicaram num artigo como as equipas de Tevatron poderiam aplicar a técnica de massa invariável aos seus dados arquivados, para tomar o “caminho rápido” para testar o spin e a paridade dos Higgs. Por razões técnicas, a técnica seria mais sensível aos dados do Tevatron do que aos dados do LHC, explicaram, porque o Tevatron colidiu com protões e antiprotões, enquanto que o LHC colidiu com protões e prótons. Mas no final, a análise de Tevatron prosseguiu lentamente, à medida que os membros da equipa CDF e D0 se foram embora para trabalhar no LHC. “Este resultado tem um certo carácter de ‘nós também’ em vez de ser o primeiro como esperávamos”, diz Ellis.
Denisov concorda que a falta de pessoas impediu o progresso. Ele observa que toda a ideia poderia ter sido tentada mesmo antes de os Higgs terem sido encontrados: “Se tivéssemos chegado a nós um ano antes, poderíamos ter sido capazes de determinar a rotação e a paridade dos Higgs mesmo antes de ser descoberta”.
Para os estudos de Higgs no Tevatron, “é basicamente isto”, diz Denisov. Entretanto, os físicos que trabalham no LHC estão a tentar sondar outras propriedades dos Higgs com maior precisão. Em particular, eles esperam medir dentro de alguns pontos percentuais a rapidez com que os Higgs se decompõem em diferentes combinações de partículas mais familiares e comparar isso com as previsões do modelo padrão. Os investigadores dizem que o trabalho deve demorar cerca de 15 anos.