Como o bóson de Higgs transfere massa para o férmion?

O que dá massa às partículas é sua interação com o campo de Higgs.

Colisão de prótons em um experimento do Laboratório Europeu de Física de Partículas em busca do bóson de Higgs.

Por María Moreno Llácer
Publicado no El País

Para lhe dar uma resposta, preciso explicar primeiro o que é o bóson de Higgs e o que são férmions. Todos eles são partículas elementares ou fundamentais, ou seja, são partículas que não podem mais ser divididas. Nós e tudo o que observamos no universo são compostos de átomos que têm um núcleo cercado por elétrons. O elétron é uma daquelas partículas que não podem mais ser divididas. No entanto, o núcleo dos átomos é composto de prótons e nêutrons. E essas partículas podem ser divididas um pouco mais até chegarmos aos quarks, que não podem mais ser divididas. Os quarks, junto com os elétrons que estão fora do núcleo, são o que chamamos de férmions. Os férmions são as partículas que formam a matéria.

Na física fundamental, distinguimos entre dois tipos de partículas, por um lado esses férmions e, por outro lado, bósons. E essa distinção é feita de acordo com uma característica muito particular delas chamada spin. O spin é uma propriedade física, como carga elétrica, relacionada ao momento angular quântico. As partículas que compõem a matéria são férmions e têm um spin de ½. Por outro lado, temos bósons que têm um spin inteiro e que são as partículas responsáveis pela força, ou seja, que os férmions interagem uns com os outros. Poderíamos dizer que os bósons são a cola que liga os férmions.

Dentro dos bósons existem vários tipos de classes dependendo do tipo de força em que agem. Por um lado, há o fóton, responsável pela luz, pela interação eletromagnética; as partículas W e Z, responsáveis pela interação fraca, que é a força relacionada ao decaimento nuclear dos átomos; o terceiro tipo de bósons são os glúons, responsáveis pela interação forte, ou seja, a interação entre os quarks que são, como mencionei antes, um tipo de férmions; e existe um quarto tipo de bóson que é o bóson de Higgs. Fótons, partículas W e Z e glúons têm spin igual a 1. Mas o bóson de Higgs é o único que possui spin igual a 0.

Os férmions também são classificados em dois tipos, quarks e léptons. A primeira diferença entre eles é a carga elétrica, os quarks, dos quais existem seis tipos, sempre têm cargas fracionárias e são aqueles que constituem, por exemplo, os prótons e nêutrons que estão dentro do núcleo. Os léptons, dos quais existem seis outros tipos, têm carga elétrica negativa ou positiva se forem antipartículas ou carga 0, que é o mesmo que nulo. Os elétrons têm uma carga negativa e seus neutrinos correspondentes (uma partícula muito especial) não têm carga. Outra diferença entre eles é que os quarks têm uma carga de cor, o que significa que são afetados por uma interação forte, enquanto os léptons não são.

Como expliquei no começo, os férmions são o que constituem a matéria e os bósons são mediadores das forças. O bóson de Higgs é particular porque explica a origem da massa das partículas. Ou seja, é acoplado a outras partículas proporcionalmente à sua massa. O fóton responsável pela interação eletromagnética nos diz qual carga elétrica os férmions possuem; os bósons W e Z explicam o spin das partículas; os glúons nos dizem se os férmions têm ou não uma carga de cor: com quarks, que possuem uma carga de cor, eles interagem, mas com léptons, que não têm, eles não interagem.

O que dá massa às partículas não é o próprio bóson de Higgs, mas sua interação com o campo de Higgs. Este campo pode ser imaginado como um oceano que permeia todo o universo e no qual as partículas estão nadando. As partículas interagem com o campo de Higgs e adquirem massa. Este campo de Higgs requer uma partícula que a compõe e é o que chamamos de bóson de Higgs. Uma maneira de visualizá-lo é imaginar uma sala cheia de campos de Higgs e na qual uma pessoa entra. Essa pessoa, de acordo com sua massa, interagirá mais ou menos com esse campo de Higgs. Quanto maior a interação, maior será seu peso e sua massa. Mas essa massa não sai do bóson de Higgs, mas é uma troca de energia entre o férmion e o campo de Higgs.