Entrevista a Joe Incandela

"Não sei se o bosão de Higgs existe. Nós, os experimentalistas, somos os cépticos."

Joe Incandela vai apresentar na quarta-feira os resultados de uma das experiências
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Joe Incandela vai apresentar na quarta-feira os resultados de uma das experiências Rui Soares (arquivo)

O mundo das partículas subatómicas parece o cenário mágico de um filme fantástico. No entanto, está na base do Universo material em que vivemos. Uma das partículas mais estranhas desse mundo é o célebre bosão de Higgs, que talvez nem seja exactamente real, mas que os cientistas pensam estar muito próximos de detectar. Entrevista publicada originalmente a 6 de Janeiro de 2012

Joe Incandela é o responsável máximo pelo Compact Muon Solenoid (CMS), uma das duas grandes experiências internacionais que estão, neste momento, a decorrer utilizando o LHC, ou seja, o gigantesco acelerador de partículas que foi construído perto de Genebra, na Suíça, para tentar detectar o fugidio mas famoso bosão de Higgs.

Em meados de Dezembro, o Laboratório Europeu de Física de Partículas (CERN), onde o LHC se encontra albergado, anunciou que os milhares de cientistas que trabalham dia e noite naquelas duas experiências (a outra chama-se ATLAS) tinham boas razões para pensar que, este ano, iriam conseguir "deitar a mão" ao bosão de Higgs. Alguns dias mais tarde, Incandela, físico norte-americano oriundo da Universidade da Califórnia, actualmente em residência no CERN, deu uma conferência, no Instituto Superior Técnico, em Lisboa. Explicou os mais recentes resultados da sua grande equipa - uma colaboração de três mil cientistas, engenheiros e estudantes de 40 países, entre os quais Portugal - 24 investigadores do Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP).

A seguir, tentou dar algumas pistas ao P2 sobre o trabalho que está a ser feito. Deixando, porém, bem claro, modestamente, que nem ele próprio percebe realmente, intuitivamente, o mundo subatómico com que lida todos os dias.

O que é o bosão de Higgs? Um campo de energia? Uma partícula?

É, ao mesmo tempo, um campo e é uma partícula. Infelizmente, esta é a coisa mais difícil de explicar às pessoas, porque tem a ver com o mundo quântico, com a mecânica quântica, que é totalmente contra-intuitiva. Na mecânica quântica, uma onda, um campo, também pode ser composto de partículas. Falamos de ondas de luz, mas são feitas de fotões e podemos pensar na luz como sendo ondas difusas ou como sendo partículas, porque a luz é ambas as coisas. Esta "dualidade onda-partícula" é algo que ninguém percebe intuitivamente. É tão paradoxal... Não há nada que se lhe assemelhe na nossa experiência quotidiana. Mas as equações dizem-nos que as coisas são assim e essas equações funcionam fantasticamente bem.

Mas posso dizer-lhe como é que eu o vejo, o Higgs, talvez isso ajude. Para mim, o Universo - ou seja, o espaço-tempo - não é vazio. É uma espécie de tecido - e, em todos os pontos desse tecido, há partículas que podem, de repente, existir e deixar de existir. Uma delas é o Higgs. O Higgs existe potencialmente; não está realmente lá, mas está lá num sentido virtual.

Segundo o Modelo-Padrão da Física - que é o modelo que melhor descreve como funcionam as coisas ao nível subatómico -, é o bosão de Higgs que confere a sua massa às outras partículas e que faz, portanto, com que o Universo tal como o conhecemos exista.

Sim. A teoria diz que as outras partículas, ao deslocarem-se no Universo, interagem com esse Higgs virtual, com esse campo de Higgs, e adquirem massa. E quanto mais interagem com o campo de Higgs, mais massa têm. Por exemplo, se pegarmos num dos átomos do meu corpo e o colocarmos no espaço, vai haver, à sua volta, partículas de Higgs a materializarem-se e a desaparecerem constantemente. É assim que interagem, são virtuais e podem aparecer e depois desaparecer. É uma simplificação, mas são como uma nuvem à volta de cada partícula. Essa nuvem virtual de Higgs está sempre lá, mas cada partícula de Higgs individual surge durante um período de tempo muito curto e depois desaparece.

O Higgs é a última partícula que falta encontrar para completar a "tabela" de partículas previstas pelo Modelo-Padrão. Como é que o LHC vai conseguir detectá-la?

O campo de Higgs é feito de partículas de Higgs e nós queremos encontrar a partícula para provar que o campo existe. Mas, para isso, temos de obrigá-la a "sair" da sombra: ela está lá, na trama do Universo, e, ao aplicarmos energia suficiente, podemos fazer com que uma delas se torne real. É preciso muita energia para a criar, porque a partícula real tem de facto muita massa. Nunca "veremos" uma partícula de Higgs a menos que a obriguemos a materializar-se aplicando suficiente energia.

E o LHC serve para isso?

Mais ou menos.

Porquê? Os detectores do LHC não medem a massa (ou a energia) do bosão de Higgs?

Não. Medem taxas de produção do bosão de Higgs. Ou seja, o número de eventos que são potencialmente aparecimentos do Higgs no mundo real.

Então, ao fazerem colidir protões entre si, nunca vêem o bosão propriamente dito?

Não. São tudo efeitos estatísticos, vemos um pequeno pico no número de eventos que podem indiciar um bosão de Higgs, mas somos incapazes de dizer se um dado evento foi ou não um bosão de Higgs a aparecer. No fundo, estamos à procura de um excesso, estatisticamente significativo, de eventos susceptíveis de serem bosões de Higgs, de uma taxa de produção que seja compatível com a existência do bosão de Higgs.

Mas como é que deduzem daí a massa do bosão de Higgs?

À partida, nós não sabemos qual é a massa do bosão de Higgs - portanto, temos, de facto, de olhar para os diversos intervalos de massa possíveis. Mas o que sabemos é: qual deve ser a taxa de produção do Higgs para cada valor da massa. E se, num dos intervalos, conseguirmos melhorar a precisão e obter um pico muito estreito, com pouco ruído de fundo, então vamos poder dizer que esses eventos são provavelmente bosões de Higgs a ser criados - e que a massa do Higgs se situa nesse intervalo.

Parece uma tarefa infernal...

Mas é sempre assim que trabalhamos. Precisamos de mais resultados estatísticos, de afinar a pontaria, de saber em que intervalo de massa devemos procurar. À partida, havia um enorme leque de valores de massa possíveis e foi por isso que tivemos de desenhar um detector que tivesse múltiplas capacidades. Agora, já afinámos a pontaria até um minúsculo intervalo. Se tivéssemos sabido esse intervalo à partida, os nossos detectores teriam sido ligeiramente diferentes, mas, seja como for, sabemos agora que a massa do bosão de Higgs se situa entre 115 e 128 GeV [Gigaelectrão-volts, a unidade em que se mede a massa das partículas subatómicas]. Conseguimos afinar muitíssimo o leque de valores possíveis.

Mas nem todos os intervalos possíveis foram explorados. A massa do bosão de Higgs não poderia ser, na realidade, muito mais elevada?

Sim, poderia ser superior a 600 GeV, mas isso parece muito improvável.

Todos os outros indícios que temos apontam para a massa do Higgs ser muito baixa, da ordem dos 100 GeV. Portanto, nunca pensámos seriamente que pudesse situar-se num nível diferente.

Claro que se começarmos a analisar esse nosso pequeno intervalo de 13 GeV, a estreita janela que determinámos, e obtivermos resultados que nos façam descartar a possibilidade de o Higgs ter a massa que neste momento pensamos que tem, então vamos ter de olhar muito a sério para massas mais elevadas.

Se a massa do bosão de Higgs se situar efectivamente no intervalo agora anunciado, isso significa que ela não corresponde totalmente ao valor previsto pelo Modelo-Padrão (que é mais próxima de 150 GeV). Isso não são más notícias para o modelo?

Não. O Modelo-Padrão é apenas um modelo, não é uma teoria. As más notícias para os modelos não nos preocupam. Estamos a tentar encontrar uma teoria. Sabemos que o Modelo-Padrão não chega. Mas esse não é o fim da história.

Se tivéssemos encontrado uma janela de massa para o Higgs à volta de 150, 160 GeV, isso é que teria sido preocupante, porque, de repente, o Modelo-Padrão teria sido suficiente para explicar a realidade. Não precisaríamos de mais nenhuma nova Física para o fazer.

Isso seria assim tão mau?

Sim, porque a maneira como o Modelo-Padrão resolve os problemas não parece natural. Não há maneira de explicar como é que poderíamos ter tido tanta sorte, como é que por acaso o Universo se encontra precisamente no estado previsto pelo Modelo-Padrão. Imagine atirar cinco lápis para o ar e todos eles caírem sobre a ponta da mina, ficando aí um segundo antes de tombar. Nunca viu tal coisa, pois não? Bom, saiba que a probabilidade de isso acontecer seria muito maior do que a probabilidade de o Universo se encontrar precisamente no estado previsto pelo Modelo-Padrão. Não acreditamos que as coisas funcionem assim, de uma forma tão artificialmente equilibrada. Achamos que tem de haver qualquer coisa de mais natural que tenha feito que tudo acontecesse.

É aqui que entra em jogo uma outra teoria, a supersimetria ou SUSY. De que se trata?

A supersimetria pega em todas as partículas [do Modelo-Padrão] que conhecemos e cria para cada uma delas "partículas-parceiras".

O número de partículas mais do que duplica em relação ao Modelo-Padrão, porque, para o Higgs, cria cinco novas parceiras.

A supersimetria e o Modelo-Padrão são incompatíveis entre si?

Não. O Modelo Padrão, ao seu nível, funciona e é fantástico. É como a mecânica de Newton [em relação à Teoria da Relatividade de Einstein]: fantástico mas incompleto.

E a supersimetria resolveria todos os problemas que o Modelo-Padrão não resolve?

Poderia, de facto, resolver tudo, poderia ser muito "limpa". Mas teríamos sempre um derradeiro problema: como ligar a supersimetria à força da gravidade.

Para isso, vai ser preciso trabalhar mais uma outra teoria, a chamada Teoria das Cordas. Ainda temos trabalho para pelo menos dois séculos. [ri-se]

O que é a Teoria das Cordas?

É uma teoria que permitiria explicar como as coisas funcionam. Mas é extremamente difícil do ponto de vista matemático. Acho que os especialistas desta teoria estão numa situação que já se verificou no passado na Ciência e na Matemática, quando, a seguir a Newton, a Matemática necessária para explicar o electromagnetismo ainda não existia. Assim, nos anos 1800, a Física tornou-se o motor de novas abordagens matemáticas. Novos ramos da Matemática foram desenvolvidos e forneceram as ferramentas necessárias para perceber a electricidade e o magnetismo.

O que está a acontecer com a Teoria das Cordas agora é muito semelhante. Há uma ideia genial, uma ideia muito simples, e toda a gente ficou entusiasmada com ela. Mas depois descobriram que, para a teoria funcionar, tinham de trabalhar num espaço de 11 dimensões, dez espaciais mais uma temporal, e de lidar com minúsculos objectos com sete dimensões e propriedades muito especiais. E, de repente, tornava-se necessário desbravar territórios inteiros, totalmente novos, da Matemática. Estamos num desses momentos em que assistimos ao desenvolvimento de novas ferramentas matemáticas, mas isso pode demorar muito tempo. Às vezes, em Ciência, são precisas várias gerações até chegarmos ao estádio em que podemos voltar ao problema original e começar realmente a lidar com ele. É fascinante observar o que está a acontecer, mas ao mesmo tempo é doloroso - e é muito frustrante para os que trabalham em Teoria das Cordas, porque eles querem mesmo resolver o problema físico.

Qual é a relação entre a supersimetria e a Teoria das Cordas?

Acontece, pelo menos tanto quanto sei, que esta teoria não funciona bem sem a supersimetria. É por isso que os especialistas de Teoria das Cordas estão à espera que nós descubramos provas de supersimetria. Ora, se detectarmos um Higgs do Modelo-Padrão, isso pode não ser muito bom para eles. Mas o que é extremamente interessante é que descobrimos que o bosão de Higgs não poderá ter muita massa, restringimo-lo a um intervalo de baixa energia que é, grosso modo, onde esperaríamos encontrá-lo se fosse supersimétrico.

Os teóricos das cordas que conheço estão muito excitados, porque se a massa do Higgs for de 125-130 GeV, que é o que pensamos que deve ser, isso significa que a supersimetria continua na ordem do dia. E esperam que, quando o LHC atingir energias mais elevadas, com feixes mais potentes, nos próximos cinco anos, consigamos ver a supersimetria em acção. Não os vamos realmente ajudar a resolver os problemas, mas isso encorajálos-á a continuar nessa via.

Mas acha que o bosão de Higgs existe mesmo?

Não sei se o bosão de Higgs existe. Nem sequer penso nisso. Conheço muitos teóricos que acreditam, são os teóricos que costumam ter este tipo de convicção. Nós, os experimentalistas, somos os cépticos. Lidamos com o que a Natureza nos dá, é assim que vejo as coisas. E mesmo que não encontremos o bosão de Higgs, vou continuar a pensar que o LHC é tão importante como se o tivéssemos encontrado, porque estamos a observar a Natureza. Mas se, para o ano, obtivermos um sinal forte, suficientemente forte para afirmar que é estatisticamente significativo, isso significará que o bosão de Higgs existe.

E poderia de facto tratar-se de um bosão de Higgs compatível com a supersimetria - um Higgs SUSY - e não de um Higgs do Modelo-Padrão?

Sim. Mas, como já disse, a supersimetria prevê a existência não de um, mas de cinco Higgs. Ora, dois deles possuem mais ou menos as mesmas propriedades que o Higgs do Modelo-Padrão, mas são produzidos a um ritmo inferior. Isso pode torná-los difíceis de distinguir do bosão de Higgs do Modelo-Padrão.

Seria possível fazê-lo?

Caso se confirme que o que estamos a ver é afinal algo real, caso obtenhamos um sinal suficientemente forte para afirmar que é estatisticamente significativo, que o bosão de Higgs existe, vamos ter de esperar uns anos para determinar se o que vemos é ou não compatível com a supersimetria. Em 2014, quando a energia do LHC duplicar e os feixes de partículas se tornarem muito mais intensos, reconfigurando um pouco os detectores e focando-nos na área que agora identificámos, vamos voltar a medir as coisas com uma precisão muitíssimo mais elevada.

E se a taxa de produção do bosão de Higgs que detectámos agora for, afinal, um pouco inferior à prevista pelo Modelo-Padrão - apenas um bocadinho inferior -, isso significará que há um outro Higgs algures cuja taxa de produção corresponde a essa pequena diferença. É assim que vamos conseguir saber se há lá dois Higgs supersimétricos [e não apenas um do Modelo-Padrão].

Mas os Higgs supersimétricos também poderiam ter ambos níveis de produção muito abaixo do nível do Higgs do Modelo-Padrão. Por isso, se não encontrarmos o Higgs do Modelo-Padrão em sítio nenhum, uma coisa que também vamos querer fazer é descer um ou dois níveis em termos de taxas de produção. Mas também não vamos descer indefinidamente. Se o fizermos três ou quatro vezes e não encontrarmos nada, as coisas vão começar a ficar bastante tremidas para a supersimetria.

O que posso afirmar desde já é que, se para o ano a existência do bosão de Higgs se confirmar, muitos dos nossos colegas pelo mundo fora, que estão neste momento à espera de saber se há lá qualquer coisa ou não, vão lançar-se na construção de uma nova máquina para fazer colidir electrões e positrões em vez de protões.

No CERN?

É uma possibilidade. Ou no Japão, ou nos Estados Unidos. Vai demorar dez a 15 anos a construir.

Está a dirigir a experiência CMS, que, juntamente com a ATLAS, procuram no LHC o bosão de Higgs. O que significa liderar uma equipa de milhares de físicos?

Significa que nunca dormimos. Neste momento, ainda sou vice-director, mas em Janeiro vou tornarme director do CMS durante dois anos.

Tem de estar a par tudo?

Não. Obviamente, isso não é possível. Mas sou, em última análise, o responsável pela experiência. Tenho um departamento de computadores, um departamento de software, 13 grupos de Física, cada um com centenas de pessoas. E tenho reuniões com os líderes desses grupos. Somos 30 pessoas que nos reunimos semanalmente para ouvir relatórios e fazer a planificação. Definimos as metas científicas e como atingi-las, determinamos quais são os recursos necessários, as pessoas, as equipas. Semanalmente, os problemas que surgem são comunicados e temos de lidar com eles. E entretanto, tudo pode mudar. Se virmos uma coisa nova, podemos ter de rever a planificação toda.

Há uma corrida entre as experiências ATLAS e CMS para obter resultados conclusivos ou são complementares?

São extremamente complementares. Existe uma competição, mas é muito amigável. Claro que cada um gostaria de ser o primeiro a ver o grande sinal, mas o que estamos a fazer é tão importante que não podemos trabalhar num ambiente de corrida aos resultados. É essencial conseguirmos fazer isto bem.

As duas experiências funcionam de maneira diferente?

As colisões são completamente diferentes e o tipo de resultados que obtemos também, os detectores recorrem a tecnologias diferentes e as pessoas têm abordagens e filosofias diferentes. Assim, duplicamos a quantidade de resultados.

E quando é que acha que poderá fazer o primeiro anúncio?

Em princípio, por volta de Junho ou em finais de Julho, num grande congresso em Melbourne, na Austrália, o maior da nossa área. É aí que estamos a pensar fazer o próximo anúncio. Mas ainda não será definitivo.

Vai haver também uma reunião em Setembro, em Lisboa?

Sim, mas apenas para apresentar os resultados da experiência do CMS.

Acha que vai ser possível anunciar algo definitivo nessa altura?

Teremos mais resultados e talvez possamos anunciar qualquer coisa.

Podem encontrar o Higgs antes disso?

Acho pouco provável. Mesmo em Setembro, acho que não vai dar ainda. Vamos precisar dos resultados do ano todo.

O LHC vai fechar em finais de 2012 por dois anos. Vai ser difícil esperar pela reabertura?

Vamos ter muitos dados e muitas coisas a fazer que não conseguimos fazer neste momento porque os resultados estão sempre a sair e há muita pressão para os conseguirmos analisar. Não temos muito tempo para pensar e olhar para o que temos. Não quero dizer com isso que estamos a fazer mal as coisas; de facto, estamos a fazê-las fantasticamente bem, mas também gostaríamos de poder digeri-las com mais tempo, de juntar os resultados e de os apreciar de forma mais global. E esses dois anos vão permitir-nos fazer estudos aprofundados.

No mundo, quantos laboratórios e centros de computação colaboram no tratamento dos resultados?

O CMS envolve 175 institutos, dos quais 60 possuem centros de cálculos muito grandes, com vários milhares de computadores cada. E que estão a analisar os dados 24 horas por dia.