O elefante rosa na forma do Higgs

O bósons de Higgs deve produzir quark bottom em massa. Então por que é tão difícil de ver isso acontecendo?

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Maximilien Brice, CERN.

Artigo traduzido de Symmetry Magazine. Autor: Sarah Charley.

Bósons de Higgs nascem em uma bolha de energia pura concentrada e vivem apenas um septilhonésimo de segundo antes de decair em uma cascata de outras partículas. Em 2012, essa descendência subatômica foi a chave para a descoberta do bóson de Higgs.

As chamadas partículas filhas existem por tempo suficiente para serem identificadas nos detectores do CMS e do ATLAS no Large Hadron Collider. Os cientistas podem seguir suas trilhas e traçar a árvore genealógica de volta para o bóson de Higgs pai.

Mas as partículas que levaram à descoberta do Higgs eram na verdade de alguma descendência menos comum do bóson. Depois de gravar milhões de colisões, os cientistas identificaram um punhado de bósons Z e fótons com uma origem do tipo Higgs. O Modelo Padrão da física de partículas prevê que o bósons de Higgs produz essas partículas entre 2,5 e 0,2% do tempo. Os físicos mais tarde identificaram o bósons de Higgs decaindo em bósons W, que acontece cerca de 21% do tempo.

De acordo com o Modelo Padrão, o decaimento mais comum do bóson de Higgs deve ser uma transformação em um par de quark bottom. Isto deve acontecer cerca de 60% do tempo.

O estranho é que os cientistas ainda precisam descobrir se isso realmente acontece (embora eles tenham visto evidências).

De acordo com o pesquisador de Havard John Huth, membro do experimento ATLAS, ver o Higgs se transformando em quarks bottom é a prioridade número 1 para a pesquisa do bóson de Higgs.

“Precisamos encontrar o Higgs decaindo para quark bottom, porque esta é a maior interação”, diz Huth, “e é bom que o maldito esteja lá”.

Se os quarks bottom do decaimento do Higgs não estiver lá, os cientistas ficariam completamente pasmos.

“Eu ficaria chocado se essa partícula não decaísse num par de quarks bottom”, diz Jim Olsen, pesquisador da Princeton e Coordenador de Física para o experimento CMS. “A ausência deste decaimento teria um impacto muito grande e direto sobre as taxas de atenuação relativas do bóson de Higgs para todas as outras partículas conhecidas, e as recentes medições do ATLAS e do CMS estão em excelente concordância com as expectativas.”

Para ser justo, o decaimento de um Higgs em dois quarks bottom é difícil de detectar.

Quando um bóson de Higgs “morre”, ele produz um par de bósons Z ou W, e cada um deles decaem em um par de múons ou elétrons. Estas partículas deixam sinais cristalinos nos detectores, tornando mais fácil para os cientistas identificá-las e rastrear sua linhagem. E pelo fato dos fótons serem vigas essencialmente imortais de luz, os cientistas podem imediatamente identificá-los e registrar sua trajetória e energia com detectores eletromagnéticos.

Mas quando um Higgs se transforma em um par de quarks bottom, eles impulsivamente se unem com outros quarks, gerando enormes famílias instáveis que brotam, quebram e se transformam. Esta cascata caótica deixa uma ascendência confusa.

Os cientistas estão desenvolvendo ferramentas especiais para separar o Higgs desta novela subatômica multi-geracional. Infelizmente, não há jeito fácil para anunciar “Higgs, você é o pai!” Em vez disso, os cientistas estão trabalhando em algoritmos que buscam padrões na energia desses jatos de partículas depositadas nos detectores.

“O decaimento do bóson de Higgs para quarks bottom deve ter um cinemática diferente dos processos mais comuns e deixará assinaturas originais em nosso detector”, diz Huth. “Mas precisamos compreender profundamente todas as variáveis envolvidas se quisermos capturar o pequeno número de eventos de Higgs no meio de todos os outros.”

O físico Usha Mallik e sua equipe de pesquisadores do ATLAS da Universidade de Iowa, mapearam as complexas genealogias do quark bottom desde a descoberta do Higgs em 2012.

“Quarks bottom produzem jatos de partículas com todos tipo de cores e sabores”, diz Mallik. “Há jatos grandes, pequenos, distintos e jatos que se sobrepõem. Para encontrar os quarks bottom originais, precisamos olhar para todas as características do jato. É um problema complexo, com uma grande quantidade de pessoas trabalhando nele”.

Este ano, o LHC vai produzir cinco vezes mais dados do que no ano passado e irá gerar bósons de Higgs 25% mais rapidamente. Os cientistas esperam que até agosto eles sejam capazes de identificar este decaimento proeminente do Higgs e descobrir o que ele pode dizer sobre as propriedades dessa partícula única.

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