IEA debate perspectivas científicas após confirmação do bóson de Higgs

LHC, na Suíça - onde tudo termina ou apenas começa? | Foto: CERN

No mês passado, o anúncio da detecção experimental de uma partícula que tem tudo para ser o  bóson de Higgs deixou a comunidade científica em polvorosa. Principalmente quem fez parte dos experimentos com os grandes aceleradores, que levaram décadas, muito suor – e recursos – para chegar a este resultado.

Mas abusando de metáforas explosivas, podemos dizer que os físicos ainda colidem ao avaliar se o modelo padrão, que em tese a descoberta confirma, é a fronteira final da física de partículas.

O pesquisador Sérgio Ferraz Novaes, do Instituto de Física Teórica da Unesp, é um dos que trabalhou nos experimentos iniciais na Suíça para detectar o bóson de Higgs. Foi ele também um dos primeiros pesquisadores brasileiros a publicar um artigo sobre os mecanismos de produção do bóson de Higgs, ainda nos anos 80. Passado o período de comemorações mais efusivas, Novaes se juntou na tarde desta quarta-feira (15) aos professores Mahir Saleh Hussein, Gustavo Burdman e Dionísio Baseia, do Instituto de Física (IF) da USP, e ao vice-diretor do IAG, Laerte Sodré Jr., para debater as perspectivas da física após este fato.

O nano do nano

Foto: Marcos Santos / USP Imagens

No encontro realizado no Instituto de Estudos Avançados (IEA) da USP, Sérgio Novaes destacou o estado da arte privilegiado da física de partículas, já que desde o início do século XX, quando surgiu a proposta de utilizar as colisões para investigar a estrutura da matéria, muito se avançou na compreensão do que a matéria é composta e das forças que agem na natureza.

“Antes conhecíamos basicamente do que é composta a tabela periódica, com uma escala média de 10-10 metro, que é a escala do átomo. Progredimos de tal forma que conhecemos o que está dentro dos prótons, numa escala aproximada de 10-18 metro. Estamos explorando hoje o nano do nano, considerando que a escala nanométrica é de 10-”, ressaltou.

“Estamos explorando hoje o nano do nano, considerando que a escala nanométrica é de 10-9.”

Referindo-se ao modelo padrão, ele apontou que os cientistas foram capazes de criar um quadro bastante consistente dos building blocks (partículas fundamentais, que compõem as demais partículas), quarks, léptons, e bósons que intermediam as interações. Essas interações incluem a força eletromagnética; a interação fraca – força que afeta quarks e léptons, responsável pelo decaimento beta (quando o neutron se transforma num próton emitindo um elétron e um anti-neutrino, em um processo bastante utilizado pela medicina para diagnóstico e radioterapia), e que é mediada por bósons W e Z; e a interação forte – força que mantém os quarks unidos em hádrons, esta mediada pelos gluóns.

Segundo o físico, o bóson de Higgs era justamente a peça faltante predita pelo modelo padrão – e que parece ter sido encontrada.

Dando o panorama histórico dos  estudos e experimentos que culminaram na caça à partícula de Higgs e no reinado do modelo padrão, Novaes apontou o papel de uma teoria em particular, a QED (sigla em inglês para eletrodinâmica quântica).

Combinando a mecânica quântica com a relatividade especial de modo a descrever os fenômenos eletromagnéticos, ela é simplesmente “a melhor teoria que se tem disponível na atualidade”. Não porque seja “a mais bonita”, mas por estar de acordo de maneira mais precisa com as medições que foram averiguadas experimentalmente, tornando-a um protótipo para a construção de outros modelos.

Foto: CERN

Analogamente, o modelo padrão seria o que descreve com maior precisão experimental as forças fundamentais e também as partículas que constituem toda a matéria. Ele se assenta sobre a QED, complementada pela teoria eletrofraca (ambas descritas pela teoria quântica de campos), e teria sido confirmado de maneira notável pelos testes no LHC.

“O acordo que se conseguiu entre a teoria e a prática nestes últimos dez anos é algo impressionante. O modelo ganhou o respeito da comunidade porque faz predições contundentes, e todas elas se mostraram verdadeiras – até mesmo o bóson de Higgs, que resistia a ‘dar as caras’ de maneira aberta nos experimentos”, finalizou.

O problema da massa

Partículas elementares | Imagem: IF-USP

Gustavo Burdman, docente do IF,  conduziu sua apresentação por uma pergunta principal: a descoberta do bóson de Higgs seria o capítulo final da física ou simplesmente, por enquanto, do modelo padrão, com sua última peça revelada?

Com exceção da gravidade, que não pode ser testada em experimentos com aceleradores, “a cromodinâmica quântica descreve as interações entre as partículas elementares. Quarks e leptons são as partículas de spin 1/2, que podemos chamar de matéria elementar. E as interações são intermediadas pelos bósons, como fótons, gluóns, e bósons W e  Z”, pontua Burdman.

Acontece que a simetria do modelo padrão proíbe que as partículas elementares tenham massa. Mas sabemos que as partículas como férmions e bósons W e Z têm sim massa. Como explica o pesquisador, é o mecanismo de Higgs que permite que elas adquiram massa, respeitando-se ao mesmo tempo a simetria das interações, pela chamada quebra espontânea de simetria. Para isso se supôs a existência de uma outra partícula – o bóson de Higgs.

Ainda assim, Burdman indica aspectos que permanecem em aberto no modelo padrão, “perguntas que ele não responde”. Por exemplo, os bósons W e Z têm aproximadamente 100 vezes a massa do próton. Mas quanto aos férmions, há uma grande hierarquia de massas que não tem explicação pelo modelo padrão.

As interações com o Higgs são responsáveis por dar massa aos férmions (nome dado a todas partículas elementares, exceto os bósons). O chamado acoplamento dá o elétron uma massa da ordem de 10-31 kg. Existe uma partícula ‘parente’ do elétron, o muón, cuja única diferença para ele é a massa. Esta massa é mais de 200 vezes maior do que a do elétron. O mesmo acontece com quarks idênticos entre si quanto a todas as variáveis, menos suas massas, bem discrepantes. É o caso dos quarks u (do inglês up, para cima) em relação aos ‘quarks estranhos’.

Além disso, se o bóson de Higgs, é o que dá massa às demais partículas, elétrons, quarks, “de onde vem ele?”, questiona o físico. “É unica partícula do modelo padrão que tem spin zero, então sua origem não pode ser a mesma das que tem spin diferente de zero”.

O pesquisador listou ainda outros problemas não resolvidos pelo modelo padrão, entre eles as questões da matéria escura, da massa dos neutrinos, e a violação da simetria matéria/antimatéria (a diferença que se verifica na produção de antimatéria e matéria é muito pequena, desproporcional à quantidade muito maior de matéria que existe no universo em relação à antimatéria).

Então, defende Burdman, “existe sim física além do modelo padrão”.”

Valor financeiro, valor ‘espiritual’

Foto: Marcos Santos/USP Imagens

Fechando o debate, os outros especialistas participantes colocaram seus questionamentos a Sérgio Novaes e Gustavo Burdman.

Uma das perguntas era como justificar o alto custo de um projeto como o do CERN, a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear. “Vale a pena?”, indagou Dionísio Bazeia, procurando na verdade refletir a voz da sociedade fora da comunidade científica, que certamente se questiona sobre isso.

Para Novaes, a sociedade tem todo direito de perguntar, não apenas isso, mas também, por exemplo  se vale a pena por mandar o Curiosity para Marte. “Houve uma discussão muito grande no congresso norte-americano, entre Kennedy e os senadores, se a missão à Lua realmente valeria a pena – e os Estados Unidos tiveram a sorte de ter um presidente que defendeu uma posição arrojada de levar à frente esse desafio.”

Na opinião do pesquisador da Unesp, a humanidade tem que decidir onde vale a pena investir seus recursos. “Vai se continuar jogando futebol? Vai se gastar a fortuna que se gasta para reformar um estádio? Vamos continuar sustentando a Orquestra Sinfônica de São Paulo? Qual a resposta para isso?”

Sérgio Novaes resiste à ideia de ter que lançar mão dos chamados de ‘benefícios secundários’ para justificar “a aventura que é um projeto como este”. Lembrou que a World Wide Web (WWW) foi desenvolvida no CERN, e também das centenas de inovações geradas lá e aplicadas em equipamentos médicos. Mas negou que estas justificativas sejam um bom motivo para se continuar investindo em física de altas energias.

“Perguntar qual a utilidade de tudo isso é o mesmo que perguntar qual a utilidade de se fazer música ou filosofia. Acredito que tudo isso, somado, faz a aventura do homem na superfície da Terra mais gloriosa, divina.”

Burdman também ressaltou o valor espiritual desta busca. Não no sentido religioso, já que é opinião unânime entre os cientistas ser saudável que ciência e religião permaneçam o mais separadas possível. Até porque elas estão, como dizem os céticos, em mãos opostas: uma deve começar duvidando, enquanto a outra pressupõe que se comece acreditando.