La partícula d'Higgs podria haver acabat ja amb l'univers: per què seguim ací?

A peu de Terra, l'univers semblar estable. No podria ser d'una altra manera. Fa almenys la barbaritat de 13 700 milions d'anys que persistix. No obstant això, a mesura que els experts indaguen més sobre les partícules quàntiques i el seu paper en el cosmos, l'estabilitat es trontolla. Els experiments sobre la partícula d'Higgs (o bosó d'Higgs) i el camp d'Higgs mostren que alguna cosa va poder i podria eixir malament.

Encara hui la inestabilitat d'una única partícula fonamental, el bosó d'Higgs, ens col·loca davant la inquietant possibilitat que el cosmos arribe a la seua fi convertint-se en en bambolles.

De què s'ocupa el bosó d'Higgs

El bosó d'Higgs és responsable de la massa i les interaccions de totes les partícules que coneixem.

I eixa massa depén de la interacció de partícules elementals amb un camp, denominat camp d'Higgs.

Com el bosó d'Higgs existix, sabem que eixe camp fonamental perquè les partícules interacciones entre elles existix.

El camp en el qual ens submergim

Es pot pensar en este camp com en un bany d'aigua perfectament immòbil en el qual ens submergim. Té propietats idèntiques en tot l'univers. Això significa que observem les mateixes masses i interaccions en tot el cosmos. Esta uniformitat ens ha permés observar i descriure la mateixa física al llarg de diversos mil·lennis (els astrònoms solen mirar cap arrere en el temps).

Però el més inquietant és que este camp fonamental ha de ser exactament com és. Si el seu estat energètic fora el més sota possible, segons els físics, en teoria, podria canviar d'estat i si això ocorreguera les lleis de la física s'alterarien dràsticament.

La bambolla

Tal canvi és el que ocorre quan l'aigua es convertix en vapor, formant bambolles en el procés, és el que els físics diuen una transició de fase. Si este canvi es produïra, el camp d'Higgs crearia bambolles d'espai de baixa energia amb una física completament diferent.

En una bambolla així, la massa dels electrons canviaria de sobte, igual que les seues interaccions amb altres partícules. Els protons i neutrons, que componen el nucli atòmic i estan formats per quarks, es dislocarien de sobte. Essencialment, si s'experimentara un canvi així ningú ni res quedaria per #ací per a explicar-ho.

El risc de canvi és constant

Mesuraments recents de masses de partícules en el Gran Colisionador d'Hadrons (LHC) del CERN suggerixen que tal esdeveniment podria ser possible. Però que no córrega el pànic; és possible, sí, però en uns milers de milers de milions d'anys. Per això, en els passadissos dels departaments de física de partícules se sol dir que l'univers no és inestable, sinó més aviat “metaestable”, perquè la fi del món probablement arribarà, però no arribarà #prompte.

Per a formar una bambolla, el camp d'Higgs necessita una bona raó. A causa de la mecànica quàntica, la teoria que regix el microcosmos d'àtoms i partícules, l'energia de l'Higgs sempre fluctua. I és estadísticament possible (encara que improbable, per això portaria tant de temps que ocorreguera) que l'Higgs forme una bambolla de tant en tant.

I si entra en joc una energia extra?

La història és diferent, i ja no seria tanta la improbabilitat, en presència de fonts d'energia externes com camps gravitatoris forts o plasma calent (una forma de matèria composta de partícules carregades). El camp d'Higgs podria manllevar esta energia extra per a formar bambolles més fàcilment.

Per tant, encara que no hi ha raó per a esperar que el camp d'Higgs forme nombroses bambolles hui dia, una gran pregunta en el context de la cosmologia és si els ambients extrems poc després del Big bang podrien haver desencadenat tal bombolleig.

Les dades apunten al fet que en eixe moment, quan l'univers estava molt calent i hi havia energia disponible per a ajudar a formar les destructives bambolles d'Higgs, eixos efectes tèrmics també van servir al mateix temps per a estabilitzar l'Higgs modificant les seues propietats quàntiques. Així que esta calor no va poder desencadenar la fi de l'univers, que és probablement la raó per la qual encara som #ací.

El dilema dels forats negres primordials

Nostra nova investigació que acaba de ser acceptada per a la seua publicació en Physical Letters, demostra que existix una font de calor que provocaria constantment eixe bombolleig indesitjable del camp d'Higgs (sense els efectes tèrmics estabilitzadors observats en els primers dies després del Big bang). La font d'esta calor podrien ser forats negres primordials, un tipus de forat negre que hipotèticament va sorgir en l'univers primitiu a partir del col·lapse de regions massa denses de l'espaitemps.

A diferència dels forats negres normals, que es formen quan les estreles col·lapsen, els primordials podrien ser diminuts, tan lleugers com un gram.

L'existència d'estos forats negres lleugers és una predicció de molts models teòrics que descriuen l'evolució del cosmos poc després del Big bang. Això inclou alguns models d'inflació, que suggerixen que l'univers va augmentar enormement de grandària després del Big bang.

El dilema i la solució

No obstant això, demostrar esta existència comporta un gran advertiment: Stephen Hawking va demostrar en els anys 70 que, a causa de la mecànica quàntica, els forats negres s'evaporen lentament emetent radiació a través del seu horitzó de successos (un punt al qual ni tan sols la llum pot escapar).

Hawking va demostrar que els forats negres es comporten com a fonts de calor en l'univers, amb una temperatura inversament proporcional a la seua massa. Això significa que els forats negres lleugers són molt més calents i s'evaporen més ràpidament que els massius. En particular, si en l'univers primitiu es van formar forats negres primordials més lleugers que uns pocs milers de milers de milions de grams (10 000 milions de vegades més xicotets que la massa de la Lluna), com suggerixen molts models, ja s'haurien evaporat.

En presència del camp d'Higgs, tals objectes es comportarien com a impureses en una beguda gasosa, ajudant el líquid a formar bambolles de gas en contribuir a la seua energia mitjançant l'efecte de la gravetat (a causa de la massa del forat negre) i la temperatura ambient (a causa de la seua radiació Hawking).

Quan els forats negres primordials s'evaporen, calfen l'univers localment. Evolucionarien enmig de punts que podrien ser molt més calents que l'univers circumdant, però encara més freds que la temperatura Hawking típica.

El que vam demostrar, utilitzant una combinació de càlculs analítics i simulacions numèriques, és que estos punts calents farien bombollejar constantment el camp d'Higgs. I, amb això, la fi.

Però encara som #ací. Així que cal mirar l'observat des d'un punt de vista radicalment distint. Això significa que és molt improbable que tals objectes hagen existit alguna vegada. De fet, hauríem de descartar tots els escenaris cosmològics que prediuen l'existència de forats negres primordials.

Això, per descomptat, llevat que descobrim alguna prova de la seua existència passada en la radiació antiga o en les ones gravitacionals. Si es troba pot ser encara més emocionant. Això indicaria que hi ha alguna cosa que no sabem sobre el bosó d'Higgs; alguna cosa que ho protegix de bombollejar en presència de forats negres primordials en evaporació. Podria tractar-se, de fet, de partícules o forces completament noves.

En qualsevol cas, és clar que encara ens queda molt per descobrir sobre l'inquietant univers en les escales més xicotetes i més grans.

Lucien Heurtier, Postdoctoral Research Associate, King's College London

Este article va ser publicat originalment en The Conversation.