So last year, on the Fourth of July, experiments at the Large Hadron Collider discovered the Higgs boson. It was a historical day. There's no doubt that from now on, the Fourth of July will be remembered not as the day of the Declaration of Independence, but as the day of the discovery of the Higgs boson. Well, at least, here at CERN.
No ano passado, no dia 4 de julho, experimentos no Grande Colisor de Hádrons (LHC) revelaram o bóson de Higgs. Foi um dia histórico. Não há dúvida de que daqui em diante o 4 de julho será lembrado, não como o dia da Declaração da Independência, mas como o dia da descoberta do bóson de Higgs. Bom, pelo menos aqui, no CERN.
But for me, the biggest surprise of that day was that there was no big surprise. In the eye of a theoretical physicist, the Higgs boson is a clever explanation of how some elementary particles gain mass, but it seems a fairly unsatisfactory and incomplete solution. Too many questions are left unanswered. The Higgs boson does not share the beauty, the symmetry, the elegance, of the rest of the elementary particle world. For this reason, the majority of theoretical physicists believe that the Higgs boson could not be the full story. We were expecting new particles and new phenomena accompanying the Higgs boson. Instead, so far, the measurements coming from the LHC show no signs of new particles or unexpected phenomena.
Mas, para mim, a maior surpresa daquele dia foi que não houve nenhuma grande surpresa. Na visão do físico teórico o bóson de Higgs é uma explicação inteligente de como algumas partículas elementares ganham massa, mas parece uma solução bastante insatisfatória e incompleta. São muitas as perguntas que continuam sem respostas. O bóson de Higgs não tem a mesma beleza, simetria e elegância que o resto do mundo das partículas elementares. Por essa razão, a maioria dos físicos teóricos acredita que o bóson de Higgs não poderia ser a história completa. Nós esperávamos encontrar novas partículas e novos fenômenos acompanhando o bóson de Higgs. Em vez disso, até agora, as medições vindas do LHC não dão sinais de partículas novas ou de fenômenos inesperados.
Of course, the verdict is not definitive. In 2015, the LHC will almost double the energy of the colliding protons, and these more powerful collisions will allow us to explore further the particle world, and we will certainly learn much more.
É claro que o veredito não é definitivo. Em 2015, O LHC vai quase dobrar a energia dos prótons em colisão, e essas colisões mais potentes irão nos permitir explorar ainda mais o mundo das partículas, e, com certeza, nós vamos aprender muito mais.
But for the moment, since we have found no evidence for new phenomena, let us suppose that the particles that we know today, including the Higgs boson, are the only elementary particles in nature, even at energies much larger than what we have explored so far. Let's see where this hypothesis is going to lead us. We will find a surprising and intriguing result about our universe, and to explain my point, let me first tell you what the Higgs is about, and to do so, we have to go back to one tenth of a billionth of a second after the Big Bang. And according to the Higgs theory, at that instant, a dramatic event took place in the universe. Space-time underwent a phase transition. It was something very similar to the phase transition that occurs when water turns into ice below zero degrees. But in our case, the phase transition is not a change in the way the molecules are arranged inside the material, but is about a change of the very fabric of space-time.
Mas, por enquanto, já que não encontramos evidências de novos fenômenos, vamos supor que as partículas que conhecemos hoje, incluindo o bóson de Higgs, são as únicas partículas elementares na natureza, mesmo em energias bem maiores do que aquelas que estudamos até agora. Vejamos onde essa hipótese nos levará. Nós vamos encontrar um resultado surpreendente e intrigante sobre o nosso universo e, para esclarecer o meu ponto, deixem-me, primeiramente, dizer-lhes do que se trata o Higgs, e para isso precisamos retornar a um décimo de bilhão de segundo após o Big Bang. E de acordo com a teoria de Higgs, naquele instante, um evento radical aconteceu no universo. O espaço-tempo passou por uma transição de fase. Foi algo bem parecido à transição de fase que ocorre quando água se transforma em gelo abaixo de zero grau. Mas, em nosso caso, a transição de fase não é uma mudança no jeito que as moléculas se organizam dentro do material, mas trata-se de uma mudança da própria matéria do espaço-tempo.
During this phase transition, empty space became filled with a substance that we now call Higgs field. And this substance may seem invisible to us, but it has a physical reality. It surrounds us all the time, just like the air we breathe in this room. And some elementary particles interact with this substance, gaining energy in the process. And this intrinsic energy is what we call the mass of a particle, and by discovering the Higgs boson, the LHC has conclusively proved that this substance is real, because it is the stuff the Higgs bosons are made of. And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.
Durante essa transição de fase, o espaço vazio se encheu de uma substância que agora chamamos de campo de Higgs. E essa substância pode parecer invisível para nós, mas ela possui uma realidade física. Ela nos cerca o tempo todo, como o ar que respiramos nesta sala. E algumas partículas elementares interagem com esta substância, ganhando energia durante o processo, E esta energia intrínseca é o que chamamos de a massa de uma partícula, e ao descobrir o bóson de Higgs, o LHC provou de maneira conclusiva que essa substância é real, porque é dela que o bóson de Higgs é feito. E, resumidamente, é essa a essência da história de Higgs.
But this story is far more interesting than that. By studying the Higgs theory, theoretical physicists discovered, not through an experiment but with the power of mathematics, that the Higgs field does not necessarily exist only in the form that we observe today. Just like matter can exist as liquid or solid, so the Higgs field, the substance that fills all space-time, could exist in two states. Besides the known Higgs state, there could be a second state in which the Higgs field is billions and billions times denser than what we observe today, and the mere existence of another state of the Higgs field poses a potential problem. This is because, according to the laws of quantum mechanics, it is possible to have transitions between two states, even in the presence of an energy barrier separating the two states, and the phenomenon is called, quite appropriately, quantum tunneling. Because of quantum tunneling, I could disappear from this room and reappear in the next room, practically penetrating the wall. But don't expect me to actually perform the trick in front of your eyes, because the probability for me to penetrate the wall is ridiculously small. You would have to wait a really long time before it happens, but believe me, quantum tunneling is a real phenomenon, and it has been observed in many systems. For instance, the tunnel diode, a component used in electronics, works thanks to the wonders of quantum tunneling.
Mas essa história é ainda muito mais interessante. Ao estudar a teoria de Higgs os físicos teóricos descobriram, não através de um experimento, mas com o poder da matemática, que o campo de Higgs não existe necessariamente apenas na forma que observamos hoje. Da mesma forma que matéria pode existir em estado líquido ou sólido o campo de Higgs, a substância que preenche todo o espaço-tempo, poderia existir em dois estados. Além do já conhecido estado de Higgs, pode ser que haja um segundo estado em que o campo de Higgs é bilhões e bilhões de vezes mais denso do que o que observamos hoje, e a mera existência de um segundo estado do campo de Higgs cria um problema em potencial. Isso porque, de acordo com as leis da mecânica quântica, é possível haver transições entre dois estados, mesmo na presença de uma barreira de energia separando os dois estados, e o fenômeno chama-se, muito apropriadamente, tunelamento quântico. Por causa do tunelamento quântico, eu poderia desaparecer desta sala e reaparecer na sala ao lado, praticamente penetrando pela parede. Mas não esperem que eu faça esse truque ao vivo porque a probabilidade de eu penetrar a parede é absurdamente pequena. Vocês teriam que esperar um tempão para isso acontecer, mas acreditem, o tunelamento quântico é um fenômeno real, e já foi observado em vários sistemas. Por exemplo, o diodo túnel, um componente usado em eletrônica, funciona graças às maravilhas do tunelamento quântico.
But let's go back to the Higgs field. If the ultra-dense Higgs state existed, then, because of quantum tunneling, a bubble of this state could suddenly appear in a certain place of the universe at a certain time, and it is analogous to what happens when you boil water. Bubbles of vapor form inside the water, then they expand, turning liquid into gas. In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state could come into existence because of quantum tunneling. The bubble would then expand at the speed of light, invading all space, and turning the Higgs field from the familiar state into a new state.
Mas, voltemos ao campo de Higgs. Se o estado ultradenso de Higgs existisse, então, por causa do tunelamento quântico, uma bolha deste estado poderia surgir de repente, em algum lugar do universo, em algum momento. E isso é análogo ao que ocorre quando fervemos água. Bolhas de vapor se formam dentro da água, e daí elas se expandem, transformando líquido em gás. Da mesma forma, uma bolha do estado ultradenso de Higgs poderia vir a existir por causa do tunelamento quântico. A bolha iria se expandir na velocidade da luz, invadindo todo o espaço, e transformando o campo de Higgs do estado conhecido num estado novo.
Is this a problem? Yes, it's a big a problem. We may not realize it in ordinary life, but the intensity of the Higgs field is critical for the structure of matter. If the Higgs field were only a few times more intense, we would see atoms shrinking, neutrons decaying inside atomic nuclei, nuclei disintegrating, and hydrogen would be the only possible chemical element in the universe. And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state, is not just a few times more intense than today, but billions of times, and if space-time were filled by this Higgs state, all atomic matter would collapse. No molecular structures would be possible, no life.
Será que isso é um problema? Sim, isto é um grande problema. Podemos não percebê-lo na vida diária, mas a intensidade do campo de Higgs é crítica para a estrutura da matéria. Se o campo de Higgs fosse só algumas vezes mais intenso, poderíamos ver átomos diminuindo, nêutrons decaindo dentro de núcleos atômicos, núcleos se desintegrando, e o hidrogênio seria o único elemento químico possível no universo. E o campo de Higgs, no estado ultradenso, não é apenas algumas vezes mais intenso do que é hoje, mas bilhões de vezes mais intenso, e se o espaço-tempo fosse preenchido por esse estado de Higgs, toda matéria atômica entraria em colapso. Nenhuma estrutura molecular seria possível, nenhuma vida.
So, I wonder, is it possible that in the future, the Higgs field will undergo a phase transition and, through quantum tunneling, will be transformed into this nasty, ultra-dense state? In other words, I ask myself, what is the fate of the Higgs field in our universe? And the crucial ingredient necessary to answer this question is the Higgs boson mass. And experiments at the LHC found that the mass of the Higgs boson is about 126 GeV. This is tiny when expressed in familiar units, because it's equal to something like 10 to the minus 22 grams, but it is large in particle physics units, because it is equal to the weight of an entire molecule of a DNA constituent.
Portanto, eu me pergunto, será possível que no futuro, o campo de Higgs irá passar por uma transição de fase e, através do tunelamento quântico, irá se transformar nesse terrível estado ultradenso? Em outras palavras, eu me pergunto, qual será o destino do campo de Higgs em nosso universo? E o ingrediente crucial necessário para responder a essa questão é a massa do bóson de Higgs. E experimentos no LHC reveleram que a massa do bóson de Higgs é cerca de 126 GeV. Isso é muito pequeno quando expresso em unidades conhecidas, porque é equivalente a algo como 10 elevado a menos 22 gramas. mas é grande em termos de unidades das partículas físicas, pois é equivalente ao peso de uma molécula inteira de um constituinte do DNA.
So armed with this information from the LHC, together with some colleagues here at CERN, we computed the probability that our universe could quantum tunnel into the ultra-dense Higgs state, and we found a very intriguing result. Our calculations showed that the measured value of the Higgs boson mass is very special. It has just the right value to keep the universe hanging in an unstable situation. The Higgs field is in a wobbly configuration that has lasted so far but that will eventually collapse. So according to these calculations, we are like campers who accidentally set their tent at the edge of a cliff. And eventually, the Higgs field will undergo a phase transition and matter will collapse into itself.
Então, armados com essa informação do LHC, junto com alguns colegas daqui do CERN, nós computamos a probabilidade de que o nosso universo pudesse se transformar, através do tunelamento quântico, no estado ultradenso de Higgs, e encontramos um resultado bastante intrigante. Nossos cálculos demonstraram que o valor medido da massa do bóson de Higgs é muito especial. Ele tem o valor certinho para manter o universo suspenso numa situação instável. O campo de Higgs está numa configuração bamba que vem se mantendo até agora mas que eventualmente irá desmoronar. Portanto, de acordo com estes cálculos, somos como campistas que montaram suas barracas à beira de um rochedo, E eventualmente, o campo de Higgs vai passar por uma transição de fase e a matéria se desintegrará em si mesma.
So is this how humanity is going to disappear? I don't think so. Our calculation shows that quantum tunneling of the Higgs field is not likely to occur in the next 10 to the 100 years, and this is a very long time. It's even longer than the time it takes for Italy to form a stable government.
Então... é assim que a humanidade irá desaparecer? Acredito que não. Nossos cálculos mostram que o tunelamento quântico do campo de Higgs não deve ocorrer entre os próximos 10 elevado a 100 anos, e isso é um tempo bem longo. É até mais longo do que o tempo que demora para a Itália formar um governo estável.
(Laughter)
(Risos)
Even so, we will be long gone by then. In about five billion years, our sun will become a red giant, as large as the Earth's orbit, and our Earth will be kaput, and in a thousand billion years, if dark energy keeps on fueling space expansion at the present rate, you will not even be able to see as far as your toes, because everything around you expands at a rate faster than the speed of light. So it is really unlikely that we will be around to see the Higgs field collapse.
Mesmo assim, até lá nós já não estaremos mais por aqui. Em cerca de cinco bilhões de anos, o nosso sol se transformará em um gigante vermelho, tão grande quanto a órbita da Terra e a nossa Terra ficará <i>kaput</i>, e em milhares de bilhões de anos, se a energia escura continuar a abastecer a expansão do espaço na medida atual, você não vai conseguir nem mesmo ver os seus dedos dos pés porque tudo ao seu redor se expandirá mais rápido do que a velocidade da luz. Portanto é mesmo bastante improvável que estejamos por aqui para ver o campo de Higgs entrar em colapso.
But the reason why I am interested in the transition of the Higgs field is because I want to address the question, why is the Higgs boson mass so special? Why is it just right to keep the universe at the edge of a phase transition? Theoretical physicists always ask "why" questions. More than how a phenomenon works, theoretical physicists are always interested in why a phenomenon works in the way it works. We think that this these "why" questions can give us clues about the fundamental principles of nature. And indeed, a possible answer to my question opens up new universes, literally. It has been speculated that our universe is only a bubble in a soapy multiverse made out of a multitude of bubbles, and each bubble is a different universe with different fundamental constants and different physical laws. And in this context, you can only talk about the probability of finding a certain value of the Higgs mass. Then the key to the mystery could lie in the statistical properties of the multiverse. It would be something like what happens with sand dunes on a beach. In principle, you could imagine to find sand dunes of any slope angle in a beach, and yet, the slope angles of sand dunes are typically around 30, 35 degrees. And the reason is simple: because wind builds up the sand, gravity makes it fall. As a result, the vast majority of sand dunes have slope angles around the critical value, near to collapse. And something similar could happen for the Higgs boson mass in the multiverse. In the majority of bubble universes, the Higgs mass could be around the critical value, near to a cosmic collapse of the Higgs field, because of two competing effects, just as in the case of sand.
Mas a razão do meu interesse na transição do campo de Higgs é porque eu quero abordar a questão: Por que a massa do bóson de Higgs é tão especial? Por que é tão exato manter o universo à beira de uma transição de fase? Os físicos teóricos sempre perguntam "por quê?" Mais do que como funciona um fenômeno, os físicos teóricos estão sempre interessados por que um fenômeno funciona do jeito que funciona. Nós acreditamos que questionar o porquê pode nos dar pistas sobre os princípios fundamentais da natureza. E, realmente, uma resposta possível para a minha pergunta abre novos universos. Literalmente. Especula-se que o nosso universo é apenas uma bolha num multiverso espumoso formado de uma multitude de bolhas, e que cada bolha é um universo diferente com constantes fundamentais diferentes e diferentes leis da física. E nesse contexto, só se pode falar sobre a probabilidade de se encontrar um certo valor da massa de Higgs. Então, a chave do mistério poderia recair nas propriedades estatísticas do multiverso. Seria algo como o que acontece com dunas de areia na praia. Em princípio, você poderia imaginar encontrar dunas de areia de qualquer ângulo de inclinação na praia, mas, os ângulos de inclinação das dunas de areia estão geralmente em torno de 30 - 35 graus. E a razão é simples: porque o vento levanta a areia, e a gravidade a faz cair. Como resultado, a grande maioria das dunas de areia tem ângulos de inclinação em torno do valor crítico, próximo do colapso. E algo similar poderia acontecer para a massa do bóson de Higgs no multiverso. Na maioria dos universos borbulhantes, a massa de Higgs poderia estar em torno do valor crítico, próximo de um colapso cósmico do campo de HIggs, por causa de dois efeitos que estão competindo, exatamente como no caso da areia.
My story does not have an end, because we still don't know the end of the story. This is science in progress, and to solve the mystery, we need more data, and hopefully, the LHC will soon add new clues to this story. Just one number, the Higgs boson mass, and yet, out of this number we learn so much. I started from a hypothesis, that the known particles are all there is in the universe, even beyond the domain explored so far. From this, we discovered that the Higgs field that permeates space-time may be standing on a knife edge, ready for cosmic collapse, and we discovered that this may be a hint that our universe is only a grain of sand in a giant beach, the multiverse.
Minha história não tem um fim, porque nós ainda não sabemos o final da história. Isso é ciência em andamento, e para resolver o mistério, nós precisamos de mais dados, e esperamos que logo o LHC irá adicionar novas pistas, a essa história. Apenas um número, o da massa do bóson de Higgs, e ainda assim, a partir deste número aprendemos tanto... Eu comecei por uma hipótese, de que as partículas conhecidas são tudo o que existe no universo, mesmo além dos domínios explorados até agora. Daí, nós descobrimos que o campo de Higgs que permeia espaço-tempo, pode estar numa situação perigosa, à beira de um colapso cósmico, e descobrimos que isto pode ser uma dica de que o nosso universo é apenas um grão de areia numa praia gigantesca - o multiverso.
But I don't know if my hypothesis is right. That's how physics works: A single measurement can put us on the road to a new understanding of the universe or it can send us down a blind alley. But whichever it turns out to be, there is one thing I'm sure of: The journey will be full of surprises.
Mas eu não sei se a minha hipótese está correta. É assim que a física trabalha: uma simples medição pode nos colocar no caminho para uma nova compreensão do universo ou pode nos levar a um beco sem saída. Mas o que quer que seja eu tenho certeza de uma coisa: A viagem vai ser cheia de surpresas.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)