Mamãe, papai, de onde é que a massa vem?

O campo de Higgs dá massa às partículas elementares, mas a maioria da nossa massa vem de outro lugar.

A história de massa das partículas começa logo após o big bang. Durante os primeiros momentos do universo, quase todas as partículas eram sem massa, viajando na velocidade da luz em uma "sopa primordial" muito quente. Em algum momento durante este período, o campo de Higgs ligou-se, permeando o universo e dando em massa para as partículas elementares.  

O campo de Higgs mudou o ambiente quando foi ligado, alterando a maneira que as partículas se comportam. Algumas das metáforas mais comuns comparam o campo de Higgs com um barril de melaço ou xarope espesso, o que retarda algumas partículas a medida que elas viajam através do barril.

Outros já imaginam o campo de Higgs como uma multidão em uma festa ou um famoso tentando passar por uma horda de paparazzi. Assim que cientistas famosos ou uma lista de celebridades passarem, as pessoas irão cercá-los, diminuindo sua velocidade, mas rostos menos famosos viajarão através das multidões despercebidos. Nestes casos, a popularidade é sinônimo de massa: quanto mais popular você for, mais você vai interagir com o público, e mais "maciço" você será. 

Mas como o campo de Higgs se ligou? Por que algumas partículas interagem mais com o campo de Higgs do que outras? A resposta curta é: Não sabemos.

"Isso é parte da razão pela qual encontrar o campo de Higgs é apenas o começo, porque temos uma tonelada de perguntas", diz Matt Strassler, um físico teórico e associado do departamento de física da Universidade de Harvard. 

A força forte e você

O campo de Higgs dá massa às partículas fundamentais, como elétrons, quarks e outros blocos de construção que não podem ser quebrados em partes menores. Mas estes ainda representam apenas uma pequena proporção da massa do universo.

O resto vem de prótons e nêutrons, que recebem quase toda a sua massa da força nuclear forte. Estas partículas são cada um compostas por três quarks que se deslocam a uma velocidade vertiginosa que estão ligadas entre si por glúons, as partículas que carregam a força forte (o nome glúons vem de cola, em inglês, pois estas partículas mantêm o núcleo dos átomos coeso). A energia desta interação entre quarks e glúons é o que dá prótons e nêutrons sua massa. Tenha em mente a famosa equação de Einstein E = mc² , o que equivale a energia e massa. Isso faz com que a massa seja um depósito secreto para a energia.

"Quando você coloca três quarks juntos para criar um próton, você faz uma ligação de uma enorme densidade de energia em uma pequena região no espaço", disse John Lajoie, físico da Universidade do Estado de Iowa. 

Um próton é feito de dois quarks up e um quark down; um nêutron é feito de dois quarks down e um quark up. Sua composição semelhante faz como que as massas que eles adquirem da força forte sejam quase idênticas. No entanto, os nêutrons são ligeiramente mais maciços do que prótons e essa diferença é crucial. O processo de decomposição de nêutrons em prótons promove a química, e assim, a biologia. Se prótons fossem mais pesados, eles, ao invés disso, decairiam nêutrons, e o universo como o conhecemos não existiria e claro, nós também não.

"Como se vê, os quarks down interagem mais fortemente com o [campo] Higgs, para que eles tenham um pouco mais de massa", diz Andreas Kronfeld, um físico teórico do Fermilab. É por isso que a pequena diferença de massa entre prótons e nêutrons existe. 

Mas o que dizer de neutrinos?

Aprendemos que as partículas elementares obtêm a sua massa do campo de bósons, mas espere! Pode haver uma exceção: neutrinos. Neutrinos estão em uma classe única; eles têm massas extremamente pequenas (um milhão de vezes menor do que o elétron, a segunda partícula mais leve), são eletricamente neutros e raramente interagem com a matéria.

Os cientistas estão intrigados em porque neutrinos são tão leves. Os teóricos estão considerando várias possibilidades. Isso pode ser explicado se os neutrinos são suas próprias anti-partículas, isto é, se a versão antimatéria é idêntica à versão de matéria. Se os físicos descobrirem que este é o caso, isso significaria que os neutrinos obterão a sua massa de algum lugar que não seja o bóson de Higgs, que os físicos descobriram em 2012.

Neutrinos devem obter a sua massa a partir de um campo de Higgs-like, que é eletricamente neutro e se estende por todo o universo. Este poderia ser o mesmo Higgs que dá massa a outras partículas elementares, ou poderia ser um primo muito distante. Em algumas teorias, a massa do neutrino também vem de uma fonte nova adicional, marca que poderia segurar as respostas a outros remanescentes mistérios da física de partículas.

"As pessoas tendem a ficar animadas sobre essa possibilidade, porque pode ser interpretada como evidência de uma escala de energia nova, sem relação com o fenômeno Higgs", diz André de Gouvêa, um físico de partículas na Universidade Northwestern.

Este novo mecanismo também pode ser relacionado à forma com que a matéria escura, que os físicos pensam que seja composta de partículas ainda não descobertas, obtém sua massa.

"A natureza tende a ser econômica, por isso, é possível que o esse novo conjunto de partículas explique todos esses fenômenos estranhos que nós ainda não explicamos", diz de Gouvêa.

Traduzido e adaptado de Symmetry magazine