O Higgs, a massa e a ciência que prossegue

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 20/07/2012

No dia 4 de julho de 2012, foi divulgado pelo Cern, o Centro Europeu de Pesquisas Nucleares, a existência de uma partícula que pode ser o famoso bóson de Higgs, aquela que seria responsável pela massa de todas as partículas elementares. A existência de tal bóson foi prevista pelo físico britânico Peter Ware Higgs (1929-) em 1964.

Como manda a boa prática científica, não foi dito que a partícula descoberta é o bóson de Higgs, mas sim que existe uma grande probabilidade que seja. Os resultados obtidos têm uma precisão de 99,9%, ou seja, muito provavelmente a nova partícula detectada é o bóson de Higgs. Na verdade, não se detecta uma partícula nos enormes equipamentos do LHC (sigla para Grande Colisor de Hádrons), mas os ‘traços’ que elas deixam após trilhões de colisões.

A divulgação desse experimento foi extraordinária. Praticamente todos os veículos de comunicação apresentaram essa notícia, pois além de ser uma das descobertas científicas mais importante dos últimos anos, o apelido dado ao bóson de Higgs é, por si, só chamativo: “partícula de Deus”. Trata-se de uma alusão à onipresença divina; assim como Deus, essa partícula estaria presente em toda parte.

O apelido também está associado ao livro do físico Leon Lederman (1922-), ganhador do prêmio Nobel de Física em 1988 pelo seu trabalho com neutrinos (partículas que praticamente não têm massa). Lederman queria que seu livro se chamasse ‘A partícula maldita’ (The goddamn particle, no original), pela frustração diante da dificuldade de encontrá-la. Mas o editor trocou o título para A partícula de Deus, pois achou que o nome original poderia soar ofensivo. 

A descoberta de uma partícula fundamental com essa alcunha pode sugerir a muitas pessoas associações com a divindade, levando-as a imaginar que finalmente a ciência pode ter descoberto (ou refutado) a existência de Deus. Do meu ponto de vista, não cabe à ciência discutir aspectos religiosos, como também não cabe à religião discutir aspectos relacionados ao campo da ciência. São duas formas diferentes de compreender o mundo e o ser humano.

Se por um lado o bóson de Higgs não pode explicar a existência ou não de Deus, por outro, pode explicar a existência da massa. Mas o que é a massa? Por que os cientistas divulgam que essa partícula tem a massa de 125 (ou 126) GeV? Energia é uma unidade de massa?

Entendendo a massa

Em nosso cotidiano, a ideia de massa está normalmente associada à de peso. Nunca perguntamos para uma pessoa qual é a sua massa, mas, sim, o seu peso (que para muitos é uma pergunta indiscreta). Quando subimos em uma balança, ela nos informa que a nossa massa é “x” quilos (para alguns, como eu, muitos quilos!).

Peso é a força que a gravidade da Terra faz sobre os corpos próximos da superfície, sendo proporcional à aceleração da gravidade (g = 9,8 m/s2), que é o valor do campo gravitacional na superfície da Terra. Por isso, quem tem 100 kg de massa pesa 980 newtons (unidade correta para a força peso).

Por outro lado, todos já tivemos a experiência de empurrar um grande objeto ou sabemos o quanto é difícil frear um caminhão ou ônibus com várias toneladas. Quanto maior for a massa de um corpo, mais difícil será alterar o seu estado de movimento, ou seja, maior deverá ser a força aplicada.

Foi o físico inglês Isaac Newton (1642-1727) que propôs tanto as leis do movimento quanto a lei da gravidade, que explica a atração entre os corpos com massa. A primeira lei de Newton está associada à inércia do corpo, ou seja, à capacidade destes manterem o seu estado de movimento quando não há aplicação de nenhuma força.

A segunda lei de Newton mostra que a força exercida sobre um corpo é o produto entre massa e aceleração. Existe ainda a terceira lei de Newton, que diz que todo corpo que sofre a ação de uma força reage, mas em sentido contrário, com igual intensidade.

Podemos observar que tanto na gravidade quanto na dinâmica dos movimentos a massa é o fator determinante. Contudo, ela tem um papel diferente em cada situação. Na gravidade, a massa desempenha o papel de uma ‘carga gravitacional’, regulando a intensidade de uma força fundamental da natureza. No movimento, ela está relacionada com uma ‘resistência’ a se modificar o estado de movimento do corpo. Dessa forma, em princípio, existiriam dois tipos de massa: a massa gravitacional e a massa inercial, ambas com o mesmo valor. O próprio Newton percebeu esse fato, mas não conseguiu explicar o porquê disso.

Foi o físico alemão Albert Einstein (1879-1955) que respondeu essa questão, por volta do ano de 1907. Nessa época, ele trabalhava num escritório de patentes, em Berna, Suíça, e teve o insight que uma pessoa em queda livre não perceberia o seu próprio peso. A partir disso, ele propôs o ‘princípio da equivalência’, segundo o qual é impossível distinguir se um corpo está sob a ação de um campo gravitacional ou em movimento acelerado.

Com essa ideia, Einstein desenvolveu a teoria da relatividade geral em 1915, que explica os efeitos da gravidade e dos movimentos acelerados dos corpos. Einstein mostrou que a massa, ora se manifesta como ‘inércia’, ora como ‘gravidade’ (esse tema foi abordado anteriormente na coluna “o enigma do movimento”).

A relação entre massa e energia

Alguns anos antes, em 1905, Einstein propôs também a teoria da relatividade restrita, que, entre os diversos resultados, talvez um dos mais importantes foi mostrar a equivalência entre massa e energia, por meio da famosa equação E=mc2 (na qual m é a massa e c, a velocidade da luz). Esse resultado vem do fato de a velocidade da luz ser a velocidade limite do universo.

Quando tentamos transferir energia para um corpo se movendo com velocidade próxima à da luz, essa energia não se converte completamente em energia de movimento, mas aumenta a massa inercial do corpo, aumentando a dificuldade de se alterar o seu movimento, ou seja, de tirá-lo do estado de inércia. Por esse motivo, quando se fala na massa de uma partícula fundamental, como a do próton, se refere a sua massa de repouso. Para o próton, esse valor é 1,67x10-27 kg.

Sempre inacabada

A importância da descoberta experimental do bóson de Higgs é a validação do chamado Modelo Padrão, que previu a existência de dezenas de partículas fundamentais, como os quarks, que são as partículas que constituem os chamados hádrons (como os prótons e nêutrons).

Se os resultados do Cern forem validados, se confirmará a teoria que prevê os valores de massa das partículas elementares, como a do próton. Segundo o Modelo Padrão, proposto inicialmente pelo físico estadunidense Steven Weinberg (1933-), quando o universo se resfriou após o Big Bang, o campo de Higgs formou-se junto a partículas associadas, os bósons de Higgs, transferindo massa para outras partículas fundamentais.

Mas mesmo que a existência do bóson de Higgs seja confirmada, a física ainda não estará acabada. Existem muitas perguntas ainda a serem respondidas e novos desafios hão de surgir. Essa é a magia da ciência!

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos