O modelo padrão da física quântica foi construído com base em 16 partículas fundamentais, quase todas detectadas em aceleradores de partículas. Faltava apenas uma para completar o modelo: o Bóson de Higgs. Procurado há quase 50 anos, seria a última partícula a ser descoberta – a missão principal do CERN.
Partículas fundamentais:
- 6 quarks: up, down, charm, strange, top e bottom;
- 6 léptons: elétron, múon, tau e os três neutrinos;
- 4 bósons de força: fóton e glúons W⁺, W⁻ e Z⁰;
- 1 bóson de Higgs.
O CERN detecta centenas de partículas compostas pelas fundamentais, que integram o Zoológico das Partículas, termo introduzido pelo físico americano J. Robert Oppenheimer em 1956 (durante a VI Conferência Internacional de Rochester sobre Física de Altas Energias) para descrever a surpreendente quantidade de partículas subatômicas que os aceleradores começavam a descobrir na época.
Dois meses depois, veio o anúncio da descoberta de algo que poderia se tratar do Bóson de Higgs. Será que esse algo era apenas mais um bóson esquisito do Zoológico das Partículas, quem sabe o Bóson de Maionese?
O CERN é um laboratório gigantesco, um projeto que consumiu dez bilhões de dólares, uma grande empresa estatal, com quase 4 mil funcionários, que, em última análise, depende de aprovação pública para justificar seus gastos anuais de quase dois bilhões de dólares.
Enquanto a física sabe da existência de 4 forças fundamentais: gravidade, eletromagnetismo e as forças fraca e forte, que atuam nos núcleos atômicos, a empresa CERN é gerida por físicos que trabalham com outras quatro forças, coisa que não contaram para você, mas aqui você vai saber quais são essas forças e, também, os bastidores da descoberta do século.
A história da ciência não acontece no vácuo frio dos tubos de aceleradores de partículas enterrados no subsolo. Ela acontece dentro de instituições. Instituições dependem de dinheiro. Pesquisadores competem. Laboratórios disputam prestígio. Governos financiam ou cortam projetos. Jornais precisam de manchetes. Editores precisam vender livros. E cientistas, embora submetidos a métodos extraordinariamente rigorosos, continuam sendo seres humanos. Você vai ver que todos esses ingredientes estavam presente no fascinante episódio da descoberta de 2012 no CERN.
A 5ª Força – A Força dos Cortes Orçamentários
Qual é o poder da Força dos Cortes Orçamentários? Sabemos que fica mais forte em momentos de crise, como foi o caso da crise do subprime que atingiu os EUA em 2008. Esta 5ª força exerceu uma pressão tão forte que foi capaz de destruir o Tevatron, uma máquina enorme, um acelerador de partículas com anel subterrâneo de 6 km, construído pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e operado durante 28 anos por várias universidades lideradas pela Universidade de Chicago.
O Tevatron era o único concorrente do acelerador europeu LHC, Large Hadron Collider do CERN, que fica entre a França e a Suíça, com anel de 27 km enterrado no subsolo a quase 200 metros da superfície. Os dois aceleradores, o americano e o europeu, competiam para descobrir o Bóson de Higgs – a partícula elementar responsável por dar massa a todas as partículas fundamentais do universo.
O que houve exatamente com o Tevatron? Depois da crise americana de 2008, sofreu cortes orçamentários e não resistiu. Fechou 3 anos depois, em 30 de setembro de 2011.
A 5ª força, também já havia destruído o que seria o maior de todos os aceleradores de partículas, cujas obras chegaram a ser iniciadas no Texas e paralisadas dois anos depois em 1993, desperdiçando 2 bilhões de dólares. Projetado para descobrir o Bóson de Higgs, o SSC – Superconducting Super Collider seria um gigante perto do LHC. Um túnel oval com 87 km de perímetro, projetado para colisões de até 40 Tera-elétron-Volts (TeV), enquanto o LHC opera com um terço disso, até 14 TeV. O cancelamento causou um êxodo de cérebros da física americana e transferiu para a Europa o eixo da liderança científica de pesquisa do mundo micro.
O acelerador europeu passou a reinar sozinho, mas não estava imune à 5ª Força. Os físicos temiam por seus empregos, caso o LHC acabasse tendo o mesmo destino do Tevatron e do SSC. Em 2010, com o agravamento da crise econômica da Europa, o comitê de finanças dos países membros aprovou redução de orçamento do CERN ao redor 331 milhões de dólares para o período de 5 anos, entre 2011 e 2015.
Antes da definição do tamanho do corte, estava bem apreensivo o Diretor-Geral do CERN. Ele suspirou aliviado ao tomar conhecimento de que o corte havia sido menor que o esperado. Entrevistado pela agência AFP, seu porta-voz James Gillies disse: “O Diretor-Geral está extremamente satisfeito com o resultado, dado o clima econômico”.
No entanto, havia outra força ameaçando o acelerador europeu, que custara 10 bilhões de dólares e ainda não havia entregado a principal descoberta prometida, que justificaria sua existência aos olhos do público: o Bóson de Higgs.
A 6ª Força – A Força da Concorrência
Mesmo morto em setembro de 2011, o fantasma do Tevatron continuava a assombrar o CERN em 2012. Os americanos ainda estavam analisando 500 trilhões de colisões produzidas em dez anos e estavam prestes a encontrar o bóson no meio desse palheiro de dados. Portanto, estava ativada no nível máximo a 6ª Força, a Força da Concorrência, que pressionava os europeus a vencerem a corrida.
E o Tevatron ainda tinha dados que o LHC não possuía. O Higgs vinha sendo procurado através de um canal de decaimento diferente, particularmente importante para a região de massa próxima de 125 GeV: o decaimento em dois quarks bottom. Esse canal era muito mais acessível ao Tevatron do que ao LHC.
Segundo a revista Scientific American, o diretor-geral do CERN, o físico alemão Rolf-Dieter Heuer, tomou conhecimento de algo em 22 de junho de 2012. Algo havia sido descoberto, algo que preenchia o requisito 5 sigmas.
O Bóson de Higgs tem fama de ser extremamente raro e instável. Em tese, ele aparece apenas uma vez a cada bilhão de colisões entre prótons nos detectores do LHC. Ainda assim, não é detectado diretamente, mas a partir do comportamento de outras partículas em que ele se desintegra, um espetáculo que dura apenas 160 yoctosegundos (1,6 x 10-22 segundos, que é quase zero).
Portanto, para ter certeza de algo, foi preciso o CERN analisar 300 trilhões de colisões entre prótons. Esse algo, para ser considerado descoberto, precisa se repetir um número de vezes suficiente para atingir a precisão de 5 sigmas – o padrão ouro de reconhecimento de que algo foi de fato descoberto, que não foi obra do acaso. O sigma é unidade de medida de desvios-padrão:
- 1 sigma = chance de 1 em 3 de ser acaso estatístico;
- 3 sigmas = chance de 1 em 740 de ser acaso estatístico;
- 5 sigmas = chance de 1 em 3,5 milhões de acaso estatístico.
Assim, em 22 de junho de 2012, o CERN tomou a decisão de preparar uma cerimônia de grande impacto para divulgar esse algo, que havia sido descoberto. Os canapés teriam que ser produzidos em 12 dias, até 4 de julho de 2012, data escolhida para o espetáculo. É no 4 de julho que os EUA comemoram sua independência. O europeu escolheu a data mais conveniente para humilhar os americanos por ter vencido a corrida da 6ª Força.
Ele tinha a desculpa perfeita para a escolha do 4 de julho. Nesta mesma data, começava uma grande conferência internacional de física de partículas em Melbourne, na Austrália, a 36ª International Conference on High Energy Physicsa – ICHEP 2012, que reuniu 700 físicos de partículas.
O CERN preparou uma apresentação de gala. Eventos de física normalmente são assistidos por dezenas de pessoas, mas o anúncio de 2012 alcançou centenas de milhares, transformando-se em um evento midiático global. Estava garantido o marketing que o CERN precisava para subir no conceito do público e evitar novos cortes orçamentários.
Os americanos tentaram ofuscar a festa dos europeus. Dois dias antes, em 2 de julho, o Fermilab apresentou os resultados finais do Tevatron. Anunciaram uma evidência combinada de 2,9 sigma para um excesso compatível com um Higgs na região relevante de energia. O próprio comunicado do Fermilab mencionava que os resultados do LHC seriam anunciados em seguida.
Chegado o 4 de julho, cientistas que trabalharam nos detectores ATLAS e CMS apresentaram seus resultados na presença de Peter Higgs, o cientista que, em 1964, previu a existência do bóson que leva o seu nome.
O anúncio oficial foi cuidadosamente formulado. O título de manchete proposto pelo CERN não foi “Descobrimos o Bóson de Higgs”, mas sim: “As experiências do CERN observaram partículas consistentes com o bóson de Higgs há muito procurado.” (“CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson”).
A essa altura, você pode estar imaginando que o Efeito Maionese pode ter atingido em cheio americanos e europeus no cenário de uma das mais fantásticas descobertas da ciência. Talvez você reforce essa imagem ao saber detalhes de como são descobertos os bósons, conforme verá a seguir.
A 7ª Força – A Força da Fé
O versículo “buscai, e achareis” integra o Sermão da Montanha (Mateus 7:7-8), pronunciado por Jesus para instruir uma atitude espiritual. O seu significado vai além da simples procura física. No grego original do Novo Testamento, o verbo “buscar” (zeteite) está no presente imperativo contínuo, o que significa “continuem buscando” de forma ativa e implacável”.
Não se trata de uma busca superficial, mas de um esforço diário e perseverante, consciente e focado em conhecer a vontade divina. A expressão garante que o ato de querer buscar traria o alinhamento da vontade humana com o propósito divino. Este alinhamento produziria a resposta de Deus para quem O procura.
O CERN tinha uma fé muito grande em encontrar o Bóson de Higgs na faixa de energia de 125 ± 10 Giga-elétron-Volts (GeV). Procurou e achou em qual faixa? Exatamente 125 GeV (equivalente a massa de 130 prótons). O bóson seria, então, o resultado direto da 7ª Força, a Força da Fé? Teria Deus notado o esforço de anos dos pesquisadores e os presenteou com a resposta que tanto desejavam? Bastava decidir a faixa de energia onde procurar e, em seguida, procurar 300 trilhões de vezes?
Eu sei o que você está pensando. Por que não procuraram entre 100 e 1000 GeV? Por que acertaram precisamente a faixa onde procurar com essa precisão milagrosa? Na verdade, os cientistas procuraram o Bóson na faixa entre 100 e 1000 GeV. A busca foi sendo refinada conforme os resultados obtidos. O problema de onde e como buscar é complexo.
No início, a física teórica não sabia a faixa onde procurar, apostando em algo abaixo de 1000 GeV. Com a descoberta da massa do quark top em 1995, esta faixa estreitou para 115–285 GeV, com 95% de confiança. O Tevatron havia excluído uma região em torno de 160–170 GeV. Em 2011, após uma combinação de todas as descobertas, a estimativa estreitou para 125 ± 10 GeV. O noticiário raramente explica por que o físico experimental parece saber de antemão o que está procurando, ficando a impressão de que acha apenas o que busca, onde busca – buscai, e achareis.
Quanto maior a região examinada, maior a possibilidade de uma flutuação estatística aparecer em algum ponto. Por essa e outras razões, quando se procura algo em uma quantidade colossal de dados produzidos por detectores de partículas, é preciso tomar muitas decisões:
- quais intervalos de energia examinar?
- quais eventos incluir e quais descartar?
- quais modelos utilizar para o fundo estatístico?
- quais canais de decaimento combinar?
- quais correções aplicar?
- quais hipóteses testar?
A estatística dos Sigmas atende ao objetivo de impedir que essas escolhas transformem ruído aleatório em descoberta. A exigência de 5 Sigmas significa que existe algo estatisticamente muito difícil de explicar como simples flutuação do acaso. Porém, os mesmos dados que deram origem a 5 sigmas podem se transformar em 3 ou 2 ou 1,5, conforme a decisão.
Por exemplo, uma busca do CERN ao redor da faixa de 125 GeV chegou a 3,1 sigma nos dados de 2011 do detector CMS, mas esse valor cairia para 1,5 sigma quando considerada toda a faixa de 110 a 600 GeV. E se a faixa fosse estreitada para 110–145 GeV, o sigma seria de 2,1.
Em outras palavras, se está procurando agulha em um palheiro com base no reflexo do sol no metal, vai precisar detectar muito mais observações exitosas se o palheiro aumentar do tamanho de um silo para o tamanho do Everest ou da Lua. Embora pareça que a Força da Fé direcionou a busca para procurar exatamente onde encontrou, na verdade não foi bem assim.
A pergunta chave seria outra: – O que foi encontrado no 4 de julho era mesmo o Bóson de Higgs?
O Higgs não aparece no detector com uma plaquinha dizendo: “Olá. Eu sou o bóson de Higgs.” Conforme já referido, o que aparece são os produtos de seu decaimento após 10⁻²² segundos (o Higgs desaparece praticamente no instante em que nasce). Os detectores registram as partículas resultantes da sua morte. É preciso então procurar padrões estatísticos em uma quantidade gigantesca de eventos.
No CERN, a expressão “procurar uma agulha em um palheiro” descreve o desafio monumental de isolar sinais raros de partículas subatômicas em meio a bilhões de colisões corriqueiras geradas pelo LHC. Produzir a partícula é apenas o primeiro passo. É necessário reconstruí-la a partir dos seus produtos de decaimento.
Então o CERN anunciou o Higgs cedo demais? O que exatamente havia sido descoberto? Uma nova partícula? Muito provavelmente, sim. Um bóson? Sim. O bóson de Higgs previsto pelo Modelo Padrão? Essa conclusão ainda exigiria muito trabalho para determinar suas propriedades, como spin, paridade, taxas de produção, modos de decaimento, acoplamentos… E, principalmente: a partícula realmente se comporta como o Bóson de Higgs previsto pelo Modelo Padrão?
Então o CERN anunciou algo que não correspondia ao que havia sido descoberto? Não. Na época da descoberta, Fabiola Gianotti, porta-voz do ATLAS, dizia que seria necessário mais tempo para preparar os resultados para publicação. Joe Incandela, do CMS, também chamava os resultados de preliminares. Dois detectores, ATLAS e CMS, tinham independentemente observado um excesso em torno de 125 GeV e atingido o limiar de 5 sigma. O anúncio do CERN usou uma linguagem prudente: “particle consistent with the Higgs boson.”
Em março de 2013, 9 meses após o anúncio da descoberta, dispondo de duas vezes e meia mais dados, o CERN ainda dizia que permanecia em aberto a questão de saber se se tratava exatamente do Higgs do Modelo Padrão ou de algum outro bóson.
Em outubro de 2013, François Englert e Peter W. Higgs foram conjuntamente premiados com o Prêmio Nobel de Física de 2013 pela descoberta do bóson. No entanto, em 2022, dez anos depois do anúncio, o CERN ainda usava termos cautelosos, afirmando que as propriedades observadas da partícula eram consistentemente compatíveis com as do Higgs previsto pelo Modelo Padrão, após 10.000 trilhões de colisões próton-próton e cerca de 8 milhões de bósons de Higgs detectados – 30 vezes mais do que na época da descoberta da partícula.
Ronald Coase, Nobel de Economia, ficou famoso por uma frase atribuída a ele:
– “if you torture the data enough, nature will always confess” (se você torturar os dados o suficiente, a natureza sempre confessará).
A frase é uma piada, mas contém uma advertência séria. Dados não falam. Nós fazemos perguntas aos dados. E a qualidade da resposta depende também das perguntas que fazemos.
A 8ª Força – A Força Divina
Para a imprensa, havia ingredientes perfeitos aguardando para serem reunidos em uma narrativa: partícula misteriosa, 50 anos de procura, maior máquina científica do mundo, bilhões de dólares de investimento, Peter Higgs presente, 5 sigmas e o principal: o apelido “The God Particle”.
Isso é muito mais fácil de transformar em manchete do que: “Detectores ATLAS e CMS apresentam evidências preliminares de um novo bóson cujas propriedades ainda precisam ser estudadas.”
O próprio CERN registrou que a notícia se espalhou instantaneamente por televisão, jornais, Twitter, Facebook e outras redes. No dia do anúncio havia 88 jornalistas de 55 meios de comunicação, incluindo Reuters, AP e AFP; imagens do evento chegaram a 1.034 emissoras de televisão e 5.016 programas jornalísticos. O webcast teve quase 500 mil conexões individuais, com 60.500 simultâneas no pico.
Portanto, não foi simplesmente uma cobertura científica excepcional. Foi um evento midiático global cuidadosamente preparado. A ciência produziu o sinal. A organização do evento produziu o espetáculo. E a mídia produziu a “partícula de Deus”.
O Higgs ganhou um apelido que parece ter saído de um livro religioso: “The God Particle”, A Partícula de Deus. De onde isso veio?
O físico Leon Lederman publicou em 1993 o livro “The God Particle” Mas o título original que Lederman queria era “The Goddamn Particle” — algo como “a maldita partícula” — porque ele estava frustrado com a dificuldade de encontrá-la. O editor teria preferido “The God Particle” por razões de marketing, o que o próprio Lederman explicou no livro.
“Partícula de Deus” é infinitamente mais atraente para uma manchete do que: “Bóson escalar de aproximadamente 125 GeV é compatível com o mecanismo de Brout-Englert-Higgs.”
A primeira frase vende jornal. A segunda exige um doutorado para entender. E assim aconteceu algo curioso. Uma decisão editorial tomada em 1993 acabou influenciando a maneira como uma descoberta científica seria apresentada ao grande público quase vinte anos depois. A ciência produziu o bóson. A Força Divina o acolheu como a “Partícula de Deus”.
Conclusão
Este post é o resultado de uma coletânea de fatos relacionados com o anúncio de 4 de julho de 2012 da descoberta de uma partícula compatível com o previsto para o Bóson de Higgs. Nada mais. A intenção foi apenas a de introduzir na história o contexto econômico da época, a concorrência com laboratório rival, bem como esclarecer o aspecto técnico da busca ter se dado exatamente na faixa de energia esperada. Por fim, mostro como a mídia foi afetada pelo Efeito Maionese, transformando o bóson em partícula divina onipresente em todo o universo.