Pesquisadores descobriram uma nova partícula que é um parente magnético do Bóson de Higgs. Considerando que a descoberta do bóson de Higgs exigiu o tremendo poder de aceleração de partículas do Grande Colisor de Hádrons (LHC), esta partícula nunca antes vista – apelidada de bóson de Higgs axial – foi encontrada usando um experimento que caberia em uma pequena bancada de cozinha .
Além de ser o primeiro por si só, esse primo magnético do bóson de Higgs – a partícula responsável por conceder massa a outras partículas – poderia ser um candidato a matéria escura, que representa 85%t da massa total do universo, mas só se revela através da gravidade.
“Quando minha aluna me mostrou os dados, pensei que ela deveria estar errada”, disse Kenneth Burch, professor de física do Boston College e pesquisador principal da equipe que fez a descoberta, à Live Science. “Não é todo dia que você encontra uma nova partícula na sua mesa.”
O bóson de Higgs axial difere do bóson de Higgs, que foi detectado pela primeira vez pelo ATLAS e CMS detectores no LHC há uma década em 2012, porque tem um momento magnético, uma força magnética ou orientação que cria um campo magnético. Como tal, requer uma teoria mais complexa para descrevê-lo do que seu primo não magnético que concede massa.
No Modelo Padrão da física de partículas, as partículas emergem de diferentes campos que permeiam o universo, e algumas dessas partículas moldam as forças fundamentais do universo. Por exemplo, fótons mediam o eletromagnetismo e partículas pesadas conhecidas como bósons W e Z mediam a força nuclear fraca, que governa o decaimento nuclear em níveis subatômicos. Quando o universo era jovem e quente, no entanto, eletromagnetismo e força fraca eram uma coisa e todas essas partículas eram quase idênticas. À medida que o universo esfriou, a força eletrofraca se dividiu, fazendo com que os bósons W e Z ganhassem massa e se comportassem de maneira muito diferente dos fótons, um processo que os físicos chamaram de “quebra de simetria”. Mas como exatamente essas partículas mediadoras de força fraca ficaram tão pesadas?
Acontece que essas partículas interagiram com um campo separado, conhecido como campo de Higgs. Perturbações nesse campo deram origem ao bóson de Higgs e emprestaram aos bósons W e Z seu peso.
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O bóson de Higgs é produzido na natureza sempre que tal simetria é quebrada, . “No entanto, normalmente apenas uma simetria é quebrada de cada vez e, portanto, o Higgs é descrito apenas por sua energia”, disse Burch.
A teoria por trás do bóson de Higgs axial é mais complicada.
“No caso do bóson de Higgs axial, parece que múltiplas simetrias são quebradas, levando a uma nova forma da teoria e a um modo de Higgs. [the specific oscillations of a quantum field like the Higgs field] que requer vários parâmetros para descrevê-lo: especificamente, energia e momento magnético”, disse Burch.
Burch, que junto com colegas descreveu o novo primo magnético de Higgs em um estudo publicado na quarta-feira (8 de junho) na revista Natureza, explicou que o bóson de Higgs original não se acopla diretamente com a luz, o que significa que ele deve ser criado esmagando outras partículas com enormes ímãs e lasers de alta potência, enquanto também resfria amostras a temperaturas extremamente frias. É a decomposição dessas partículas originais em outras que surgem fugazmente que revela a presença do Higgs.
O bóson de Higgs axial, por outro lado, surgiu quando materiais quânticos à temperatura ambiente imitavam um conjunto específico de oscilações, chamado modo de Higgs axial. Os pesquisadores então usaram a dispersão da luz para observar a partícula.
“Encontramos o bóson de Higgs axial usando um experimento óptico de mesa que fica em uma mesa medindo cerca de 1 x 1 metro, focando em um material com uma combinação única de propriedades”, continuou Burch. “Especificamente, usamos tritelureto de terras raras (RTe3) [a quantum material with a highly 2D crystal structure]. Os elétrons em RTe3 se auto-organizam em uma onda onde a densidade da carga é aumentada ou reduzida periodicamente.”
O tamanho dessas ondas de densidade de carga, que emergem acima da temperatura ambiente, pode ser modulado ao longo do tempo, produzindo o modo de Higgs axial.
No novo estudo, a equipe criou o modo Higgs axial enviando luz laser de uma cor para o cristal RTe3. A luz se espalhou e mudou para uma cor de frequência mais baixa em um processo conhecido como espalhamento Raman, e a energia perdida durante a mudança de cor criou o modo Higgs axial. A equipe então girou o cristal e descobriu que o modo axial de Higgs também controla o momento angular dos elétrons, ou a taxa na qual eles se movem em um círculo, no material, o que significa que esse modo também deve ser magnético.
“Originalmente, estávamos simplesmente investigando as propriedades de dispersão de luz deste material. Ao examinar cuidadosamente a simetria da resposta – como ela diferia à medida que giramos a amostra – descobrimos mudanças anômalas que eram as dicas iniciais de algo novo”, explicou Burch. “Como tal, é o primeiro Higgs magnético a ser descoberto e indica que o comportamento coletivo dos elétrons em RTe3 é diferente de qualquer estado anteriormente visto na natureza”.
Os físicos de partículas haviam previsto anteriormente um modo de Higgs axial e até o usaram para explicar a matéria escura, mas esta é a primeira vez que foi observado. Esta é também a primeira vez que os cientistas observaram um estado com múltiplas simetrias quebradas.
A quebra de simetria ocorre quando um sistema simétrico que parece o mesmo em todas as direções torna-se assimétrico. Universidade de Oregon sugere pensar nisso como uma moeda giratória que tem dois estados possíveis. A moeda eventualmente cai em sua face de cabeça ou cauda liberando energia e tornando-se assimétrica.
O fato de que essa dupla quebra de simetria ainda está de acordo com as teorias atuais da física é emocionante, porque poderia ser uma maneira de criar partículas até então invisíveis que poderiam explicar a matéria escura.
“A ideia básica é que, para explicar a matéria escura, você precisa de uma teoria consistente com os experimentos de partículas existentes, mas produzindo novas partículas que ainda não foram vistas”, disse Burch.
Adicionar essa quebra de simetria extra por meio do modo Higgs axial é uma maneira de conseguir isso, disse ele. Apesar de ter sido previsto pelos físicos, a observação do bóson de Higgs axial foi uma surpresa para a equipe, que passou um ano tentando verificar seus resultados, disse Burch.
Publicado originalmente no Live Science.
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