Sábado, 25 de fevereiro de 2017.

O campo de Higgs e sua partícula mediadora, o bosón de Higgs.

A ideia de que o mundo material é formado por pequenos tijolos fundamentais, isto é, por átomos em movimento no espaço nasceu do pensamento dos estudiosos gregos antigos e foi retomada na modernidade pelos físicos e químicos europeus do século XVII.

Como tijolos fundamentais da matéria, os átomos foram uma decepção. Descobriu-se que eles não são indivisíveis, como o nome indica, mas estruturas complexas. Os tais tijolos, na verdade, são ainda menores. Os elétrons, pelo que sabemos, são partículas fundamentais. Os prótons, ao contrário, são formados por outras partículas chamadas quarks.

O moderno entendimento sobre as partículas "elementares" que formam o universo conhecido está sintetizado no chamado Modelo Padrão de Partículas. Mais detalhes sobre ele você encontrará aqui.

Esses tijolos fundamentais interagem uns com os outros através de Campos que se propagam pelo espaço em volta delas. Podemos entender os campos como "pertubações no espaço". Existem quatro campos fundamentais: o Campo Gravitacional, o Campo Eletromagnético e os Campo nucleares forte e fraco..

Bósons são partículas que têm spin inteiro. O spin, por sua vez, é uma propriedade ligada à "rotação" da paríticula em torno do seu eixo. Os campos interagem com a matéria através dos Bósons. Por exemplo, o Campo Eletromagnético interage com as partículas que têm carga elétrica, através de uma partícula chamada Fóton.

No entanto, o modelo padrão ainda não explica por que algumas partículas têm massa e outras não; e por que a massa possui valores tão diferentes de uma para outra partícula. Na década de 1960, os físicos Peter Higgs, Francois Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Dick Hagen e Tom Kibble propuseram um mecanismo capaz de explicar a origem da massa: o campo de Higgs.

A partir daí teve início uma corrida entre os grupos de pesquisa em física para esclarecer o funcionamento desse mecanismo e encontrar a sua partícula mediadora.

Os Físicos procuram por novos tipos de partículas usando máquinas gigantescas chamadas aceleradores de partículas. A aceleração aumenta a energia dessas partículas e elas então são postas para colidir. Tudo o que os cientistas podem fazer é observar os rastros deixados pelas partículas resultantes dessas colisões.

Na imagem do CERN, mostrada abaixo, temos a simulação de colisões entre feixes de prótons. As linhas amarelas representam as trajetórias das partículas que resultam dessas colisões. As regiões azuis representam a energia resultante da desintegração dessas partículas.

A forma de uma dessas trajetórias é característica do bóson de Higgs. Veja como são as coisas, os físicos descobrem uma nova partícula analisando as suas pegadas.

A massa, como sabemos, é uma medida da inércia de um corpo. Entendemos inércia como a resistência que um corpo oferece à mudança de seu movimento, isto é, de sua velocidade. A massa é sempre proporcional a quantidade de átomos do corpo, mas isto não é suficiente para explicar por que as próprias partículas têm massas tão diferentes.

Segundo a teoria, todo o espaço é ocupado por um campo, o Campo de Higgs. Esse campo interage com a matéria através de uma partícula do tipo bóson: o bóson de Higgs. As partículas que interagem mais intensamente com o Campo de Higgs têm massa maior do que aquelas que interagem mais fracamente.

Tudo funciona como para uma pessoa andando num local com água até a cintura. A água (o campo de Higgs) dificulta o movimento da pessoa fazendo com que ela tenha que aplicar uma força (energia) maior para se deslocar. Essa dificuldade (energia) é medida pela massa da partícula.



Ensinar o conceito de átomos falando de elétrons, prótons e neutrôns é adequado quando tratamos do ensino de ciências para o segundo segmento do ensino fundamental. No entanto, para o ensino médio, me parece mais adequado apresentar os alunos aos aspectos iniciais do modelo padrão das partículas elementares.

Isto abre a possibilidade de estudar as teorias da Física Moderna que se materializam a todo momento na mídia pelas notícias sobre as modernas tecnologias, despertando um grande interesse nos nossos alunos.

Um problema a ser enfrentado, quando percorremos o caminho de incluir os conceitos de Física Moderna é o da transposição pedagógica dos conceitos. Nesse caso, por exemplo, como tratar o conceito de espaço?

Permaneceremos com o conceito newtoniano de espaço como o palco da matéria? Mudaremos nosso discurso para o de um espaço como partípice dos fenômenos do mundo material? A discussão está aberta.









O CERN possui uma ampla coleção de documentos, textos e vídeos especiais para alunos e educadores. Eles podem ser acessados aqui.




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