O que é o bosão de Higgs?

Para compreender o bosão de Higgs, é primeiro essencial abordar o campo de Higgs. Este campo confere massa a determinadas partículas fundamentais e, simultaneamente, distingue entre si duas das quatro forças fundamentais da natureza.

A existência deste campo foi inicialmente proposta no começo da década de 1960. Os físicos analisavam as implicações de um campo hipotético que explicasse de que forma o electromagnetismo e a força fraca se separaram, bem como a razão pela qual algumas partículas portadoras de força - ou partículas de calibre - possuem massa, como os bosões W e Z, enquanto outras, como os fotões, não a têm.

O físico britânico Peter Higgs foi um dos vários investigadores que desenvolveram este modelo. Desde então, o seu nome tornou-se indissociável do campo, da sua partícula e do respectivo mecanismo de funcionamento.

Afinal, o que é o bosão de Higgs?

Tal como acontece com todos os campos quânticos, o campo de Higgs origina um tipo próprio de partícula fundamental: o bosão de Higgs. Trata-se de um bosão relativamente pesado, sem carga eléctrica e extremamente instável - uma partícula portadora de força, com spin zero - que existe apenas durante um instante antes de se desintegrar numa de várias outras partículas possíveis.

Em 2012, uma partícula com estas características foi observada por dois detectores do Grande Colisionador de Hadrões. Esta detecção levou oficialmente à inclusão do bosão de Higgs no Modelo Padrão e forneceu fortes indícios a favor do mecanismo de Higgs.

De onde vem a massa das partículas?

No quotidiano, percebemos a massa como resistência ao movimento. Os objectos muito massivos são difíceis de pôr em movimento e, depois de se deslocarem, também são difíceis de parar.

A formulação da relatividade especial de Albert Einstein apresenta outra perspectiva sobre a massa: ela é uma manifestação da energia de um objecto.

Quando está imóvel, a massa de um objecto equivale à sua energia dividida pelo quadrado da velocidade da luz - uma variante da conhecida fórmula E=mc2. Se o objecto se mover, sobretudo a velocidades próximas da luz, ganha energia que se comporta como massa.

Os átomos obtêm a maior parte da sua massa a partir da actividade energética das partículas chamadas quarks, que se movem rapidamente no interior dos núcleos e são mantidas unidas pela força forte.

No entanto, os quarks também têm massa por si próprios, tal como os electrões que os rodeiam. Sem nada a "vibrar" no seu interior, é necessária alguma forma de actividade para explicar a energia que corresponderia à sua massa em repouso.

Além disso, em meados do século XX, os físicos concluíram que os modelos anteriores para descrever os bosões de calibre não coincidiam com as observações. Partículas de curto alcance, como os bosões W e Z da força fraca, eram 80 vezes mais massivas do que um protão inteiro, ao passo que o fotão sem massa do campo electromagnético conseguia alcançar enormes distâncias.

Os físicos procuravam desesperadamente uma explicação para estas diferenças de massa e para o motivo de os dois campos serem tão distintos.

Como é que o campo de Higgs dá massa às partículas fundamentais?

Nas temperaturas extremamente elevadas dos primeiros momentos após o Big Bang, os campos do electromagnetismo e da força nuclear fraca teriam sido praticamente idênticos.

À medida que o Universo se expandiu e arrefeceu, os dois campos ter-se-iam diferenciado: um passou a actuar através de bosões pesados, numa curta distância equivalente à de um núcleo; o outro, através de bosões suficientemente leves para alcançar vastas regiões do espaço.

Vários grupos de físicos de todo o mundo chegaram a explicações semelhantes para esta separação - e para a diferença entre as massas. A História reconhece a proposta apresentada em 1964 por Higgs e pelos seus colegas François Englert e Robert Brout, assente num novo tipo de campo quântico activo em todo o lado, incluindo no espaço vazio.

Um campo com um valor diferente de zero em todos os pontos do Universo desequilibraria uma simetria fundamental da mecânica quântica que, em teoria, deveria produzir um tipo de partícula já excluído pelas experiências.

Contudo, Higgs, Englert e Brout demonstraram que, se este campo hipotético estivesse ligado ao campo responsável pela força fraca, a incómoda partícula que ninguém tinha observado seria absorvida. Restariam bosões W e Z muito pesados e um bosão de Higgs relativamente pesado, sem spin e sem carga, que rapidamente se desintegraria.

Imagine-se o campo de Higgs como uma loja de doces, onde os bosões não têm pressa de avançar enquanto comem chocolate, deixando para trás vários "invólucros de Higgs" de curta duração.

Depressa se percebeu que o mesmo processo funcionaria para praticamente qualquer campo quântico. O campo de Higgs explica as massas de diversas outras partículas fundamentais - como os quarks e os electrões -, que resistem a ser empurradas enquanto param um momento para satisfazer a vontade de comer doces.

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