Câmpul Higgs, reprezentare grafică
Deși universul poate părea stabil, având o vechime de 13,7 miliarde de ani, mai multe experimente sugerează că acesta este în pericol – fiind pe marginea prăpastiei. Și totul se datorează instabilității unei singure particule fundamentale: bosonul Higgs.
În cadrul unui studiu acceptat pentru publicare în Physical Letters B, arătăm că unele modele ale universului timpuriu, care implică găuri negre primordiale ușoare, sunt puțin probabil să fie corecte, deoarece ar fi declanșat sfârșitul universului prin intermediul bosonului Higgs.
Bosonul Higgs este responsabil pentru masa și interacțiunile tuturor particulelor pe care le cunoaștem. Asta pentru că masele particulelor sunt o consecință a interacțiunii particulelor elementare cu un câmp, numit câmpul Higgs. Deoarece bosonul Higgs există, știm că și câmpul există.
Putem considera acest câmp ca pe o corp de apă perfect liniștită. Câmpul Higgs are proprietăți identice în întregul univers. Aceasta înseamnă că observăm aceleași mase și interacțiuni în întregul cosmos. Această uniformitate ne-a permis să observăm și să descriem aceeași fizică de-a lungul mai multor milenii (astronomii în mod obișnuit „privesc” înapoi în timp).
Dar câmpul Higgs probabil nu se află în cea mai joasă stare de energie posibilă. Asta înseamnă că, teoretic, ar putea să-și schimbe starea, ajungând într-o stare de energie mai joasă într-o anumită locație din univers. Dacă s-ar întâmpla acest lucru însă, ar modifica dramatic legile fizicii.
O astfel de schimbare ar reprezenta ceea ce fizicienii numesc o tranziție de fază. Asta se întâmplă atunci când apa se transformă în vapori, formând bule în acest proces. O tranziție de fază în câmpul Higgs ar crea în mod similar bule de spațiu cu energie redusă, care ar fi descrise de o fizică complet diferită în interiorul lor.
Într-o astfel de bulă, masa electronilor s-ar schimba brusc, la fel și interacțiunile acestora cu alte particule. Protonii și neutronii – care alcătuiesc nucleul atomic și sunt compuși din quarcuri – s-ar decupla brusc. Practic, oricine ar experimenta o astfel de schimbare nu ar mai putea să o facă obiectul informării altcuiva.
Risc constant
Măsurători recente ale maselor particulelor la Large Hadron Collider (LHC), CERN, sugerează că un astfel de eveniment ar putea fi posibil. Dar nu te panica, căci asta ar putea să se întâmple abia peste câteva mii de miliarde de miliarde de ani, după ce noi nu vom mai fi. Din acest motiv, pe coridoarele departamentelor de fizica particulelor se spune de obicei că universul nu este instabil, ci mai degrabă „meta-stabil”, deoarece sfârșitul lumii nu va avea loc prea curând.
Pentru a forma o bulă, câmpul Higgs are nevoie de un motiv bun. Datorită mecanicii cuantice, teoria care guvernează lumea atomilor și a particulelor, energia Higgs este mereu fluctuantă. Și este statistic posibil (deși improbabil, motiv pentru care durează atât de mult) ca Higgs să formeze o bulă din când în când.
Cu toate acestea, povestea este diferită în prezența surselor externe de energie, cum ar fi câmpuri gravitaționale puternice sau plasmă fierbinte (o formă de materie formată din particule încărcate electric): câmpul poate împrumuta această energie pentru a forma bule mai ușor.
Prin urmare, deși nu există motive să ne așteptăm ca astăzi câmpul Higgs să formeze numeroase bule, o mare întrebare este dacă mediile extreme apărute imediat după Big Bang ar fi putut declanșa o astfel de formare de bule.
Cu toate acestea, când universul era foarte fierbinte, deși energia era disponibilă pentru a ajuta la formarea bulelor Higgs, efectele termice au stabilizat, de asemenea, Higgs prin modificarea proprietăților sale cuantice. Prin urmare, această căldură nu ar fi putut declanșa sfârșitul universului, ceea ce probabil explică de ce încă suntem aici.
Găuri negre primordiale
În noul nostru studiu am arătat că există totuși o sursă de căldură care ar cauza constant o astfel de formare de bule (fără efectele termice stabilizatoare observate în primele momente după Big Bang). Aceasta este reprezentată de găurile negre primordiale, un tip de găuri negre care au apărut în universul timpuriu din colapsul unor regiuni de spațiu-timp excesiv de dense. Spre deosebire de găurile negre normale, care se formează atunci când stelele colapsează, cele primordiale ar putea fi mici – de un gram.
Existența unor astfel de găuri negre ușoare este o predicție a multor modele teoretice care descriu evoluția cosmosului la scurt timp după Big Bang. Aceasta include unele modele de inflație, sugerând că universul a crescut enorm în dimensiune după Big Bang.
Cu toate acestea, demonstrarea existenței acestora vine cu un mare avertisment: Stephen Hawking a demonstrat în anii '70 că din cauza mecanicii cuantice găurile negre se evaporă încet, emițând radiații prin orizontul de evenimente (granița găurii negre, de care nici măcar lumina nu poate scăpa).
Hawking a arătat că găurile negre se comportă ca surse de căldură în univers, având o temperatură invers proporțională cu masa lor. Aceasta înseamnă că găurile negre ușoare sunt mult mai fierbinți și se evaporă mai repede decât cele masive. În special, dacă găurile negre primordiale mai ușoare decât câteva mii de miliarde de grame s-ar fi format în universul timpuriu (de 10 miliarde de ori mai mici decât masa Lunii), așa cum sugerează multe modele, acestea s-ar fi evaporat deja.
În prezența câmpului Higgs astfel de obiecte s-ar comporta ca impurități într-o băutură carbogazoasă – ajutând lichidul să formeze bule de gaz prin contribuția la energia sa prin efectul gravitației (datorită masei găurii negre) și temperatura ambientală (datorită radiației Hawking).
Când găurile negre primordiale se evaporă, încălzesc local universul. Ele ar evolua în mijlocul unor puncte fierbinți care ar putea fi mult mai fierbinți decât universul înconjurător, dar totuși mai reci decât temperatura tipică a radiației Hawking. Ceea ce am arătat, folosind o combinație de calcule analitice și simulări numerice, este că, pe fondul existenței acestor puncte fierbinți, ele ar „obliga” constant câmpului Higgs să formeze bule.
Dar încă suntem aici. Aceasta înseamnă că astfel de obiecte este extrem de improbabil să fi existat vreodată. De fapt, ar trebui să excludem toate scenariile cosmologice care prezic existența lor.
Asta, desigur, dacă nu descoperim vreo dovadă a existenței lor trecute în radiații vechi sau în unde gravitaționale. Dacă facem asta, ar putea fi chiar mai incitant. Ar indica faptul că există ceva ce nu știm despre Higgs; ceva care îl protejează de formarea de bule în prezența găurilor negre primordiale care se evaporă. Acestea ar putea fi, de fapt, particule sau forțe complet noi.
Oricum, este clar că mai avem multe de descoperit despre univers la cele mai mici și mai mari scări.
→ Citește și: Mecanismul Higgs. Cum obțin particulele elementare masa?
Traducere și adaptare după The Higgs particle could have ended the universe by now
Autorul, Lucien Heurtier, este cercetător asociat, studii postdoctorale, la King's College London
