O Mecanismo de Higgs

Bósons de calibre não deveriam ter massa — mas têm

Na teoria eletrofraca, os portadores de força W⁺, W⁻ e Z⁰ são bósons de calibre — semelhantes ao fóton. Por razões matemáticas, bósons de calibre não podem ter massa numa teoria de calibre exata: um termo de massa explícito no lagrangiano destruiria a simetria de calibre, e a teoria deixaria de ser renormalizável.

O problema: os experimentos mostraram claramente que W e Z são partículas massivas — com massas de 80 e 91 GeV/c², respectivamente, cerca de 85 e 97 vezes mais pesadas que um próton. Como podem os bósons de calibre ter massa sem destruir a simetria da teoria? A resposta é o mecanismo de Higgs — uma solução elegante que preserva a simetria e, ao mesmo tempo, a quebra.

O chapéu mexicano e o vácuo

O mecanismo de Higgs baseia-se no conceito de quebra espontânea de simetria. Imagine um potencial em forma de chapéu mexicano: um anel de mínimos de energia envolve o centro, que se encontra num nível mais elevado. Quando um sistema encontra seu estado fundamental nesse potencial, precisa escolher um ponto do anel — quebrando assim a simetria rotacional do chapéu, embora o potencial em si seja perfeitamente simétrico.

O campo de Higgs tem exatamente essa estrutura de potencial. No universo primordial e quente, o campo oscilava em torno do centro simétrico. Ao esfriar, o universo fez o campo rolar até um dos mínimos — escolhendo um "valor esperado no vácuo" (v ≈ 246 GeV). Esse valor esperado no vácuo não é uma escolha arbitrária, mas sim um estado físico estável. A simetria da função lagrangiana permanece intacta, mas o estado fundamental do universo a quebra espontaneamente.

A consequência: os bósons W e Z, originalmente sem massa, "absorvem" os bósons de Goldstone do campo quebrado e, com isso, tornam-se massivos. Esse é o mecanismo de Goldstone-Higgs: os graus de liberdade longitudinais dos bósons de calibre massivos vêm do campo de Higgs quebrado. O fóton permanece sem massa porque a simetria U(1)_em da eletrodinâmica associada não é afetada pela quebra.

Acoplamento de Yukawa — como quarks e léptons ganham massa

O campo de Higgs não confere massa apenas aos bósons de calibre, mas também a quarks e léptons — ainda que por um mecanismo diferente. Através dos chamados acoplamentos de Yukawa, os férmions interagem com o campo de Higgs. A intensidade desse acoplamento determina a massa do férmion: um quark top pesado (≈ 173 GeV) acopla-se fortemente, enquanto um elétron leve (0,511 MeV) quase não se acopla.

As constantes de acoplamento de Yukawa são parâmetros do Modelo Padrão — atualmente não podem ser previstas apenas pela teoria, precisando ser determinadas experimentalmente. Por que o quark top é quase tão pesado quanto um átomo de ouro, e o elétron pesa um milionésimo disso, é um dos enigmas ainda não resolvidos do Modelo Padrão.

4 de julho de 2012 — um bóson como prometido

O bóson de Higgs é a excitação quântica do campo de Higgs — assim como o fóton é a excitação do campo eletromagnético. É a única partícula fundamental escalar conhecida (spin 0) e a última peça que faltava no Modelo Padrão. Sua descoberta foi o ápice de uma busca experimental de 48 anos.

Desde então, o bóson de Higgs tem sido intensamente estudado. O LHC mede suas intensidades de acoplamento com diferentes partículas — até agora, todas as medições concordam com as previsões do Modelo Padrão. Desvios apontariam para uma nova física além do Modelo Padrão — e são objeto de pesquisa ativa.