La partícula de Higgs podría romper la física en todo el universo. He aquí por qué no es así.
La elusiva partícula de Higgs tiene el poder de deshacer la física tal como la conocemos. El hecho de que no sea así podría tener grandes implicaciones sobre la naturaleza del universo.
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Aunque nuestro universo puede parecer estable, habiendo existido durante la friolera de 13.700 millones de años, varios experimentos sugieren que está en riesgo: caminando al borde de un acantilado muy peligroso. Y todo se debe a la inestabilidad de una única partícula fundamental: el bosón de Higgs.
En una nueva investigación realizada por mis colegas y yo, recién aceptada para su publicación en Physical Letters B, mostramos que es poco probable que algunos modelos del universo temprano, aquellos que involucran objetos llamados agujeros negros primordiales ligeros, sean correctos. porque ya habrían activado el bosón de Higgs para acabar con el cosmos.
El bosón de Higgs es responsable de la masa y las interacciones de todas las partículas que conocemos. Esto se debe a que las masas de las partículas son consecuencia de la interacción de partículas elementales con un campo, denominado campo de Higgs. Como existe el bosón de Higgs, sabemos que el campo existe.
Puedes pensar en este campo como un baño de agua perfectamente quieta en el que nos sumergimos. Tiene propiedades idénticas en todo el universo. Esto significa que observamos las mismas masas e interacciones en todo el cosmos. Esta uniformidad nos ha permitido observar y describir la misma física durante varios milenios (los astrónomos suelen mirar hacia atrás en el tiempo).
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Pero no es probable que el campo de Higgs esté en el estado de energía más bajo posible. Eso significa que, en teoría, podría cambiar su estado, cayendo a un estado de energía más bajo en un lugar determinado. Sin embargo, si eso ocurriera, se alterarían dramáticamente las leyes de la física.
Un cambio así representaría lo que los físicos llaman una transición de fase. Esto es lo que sucede cuando el agua se convierte en vapor y forma burbujas en el proceso. Una transición de fase en el campo de Higgs crearía de manera similar burbujas espaciales de baja energía con una física completamente diferente.
En tal burbuja, la masa de los electrones cambiaría repentinamente, al igual que sus interacciones con otras partículas. Los protones y neutrones, que forman el núcleo atómico y están hechos de quarks, se dislocarían repentinamente. Básicamente, cualquiera que experimente un cambio de este tipo probablemente ya no podrá informarlo.
Riesgo constante
Mediciones recientes de masas de partículas realizadas por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Cern sugieren que tal evento podría ser posible. Pero que no cunda el pánico; Esto sólo puede ocurrir dentro de unos pocos miles de billones de años después de que nos jubilemos. Por eso, en los pasillos de los departamentos de física de partículas se suele decir que el universo no es inestable sino "metaestable", porque el fin del mundo no llegará pronto.
Para formar una burbuja, el campo de Higgs necesita una buena razón. Debido a la mecánica cuántica, la teoría que rige el microcosmos de átomos y partículas, la energía del Higgs siempre fluctúa. Y es estadísticamente posible (aunque poco probable, por eso lleva tanto tiempo) que el Higgs forme una burbuja de vez en cuando.
Sin embargo, la historia es diferente en presencia de fuentes de energía externas como fuertes campos gravitacionales o plasma caliente (una forma de materia formada por partículas cargadas): el campo puede tomar prestado esta energía para formar burbujas más fácilmente.
Por lo tanto, aunque no hay razón para esperar que el campo de Higgs forme hoy numerosas burbujas, una gran pregunta en el contexto de la cosmología es si los entornos extremos poco después del Big Bang podrían haber desencadenado tales burbujas.
Sin embargo, cuando el universo estaba muy caliente, aunque había energía disponible para ayudar a formar las burbujas de Higgs, los efectos térmicos también estabilizaron el Higgs modificando sus propiedades cuánticas. Por lo tanto, este calor no podría provocar el fin del universo, razón por la cual probablemente todavía estamos aquí.
Agujeros negros primordiales
Sin embargo, en nuestra nueva investigación, demostramos que hay una fuente de calor que causaría constantemente tales burbujas (sin los efectos térmicos estabilizadores observados en los primeros días después del Big Bang). Se trata de agujeros negros primordiales, un tipo de agujero negro que surgió en el universo primitivo a partir del colapso de regiones demasiado densas del espacio-tiempo. A diferencia de los agujeros negros normales, que se forman cuando las estrellas colapsan, los primordiales podrían ser diminutos, tan livianos como un gramo.
El universo explotó enormemente después del Big Bang.
Sin embargo, demostrar esta existencia conlleva una gran advertencia: Stephen Hawking demostró en la década de 1970 que, gracias a la mecánica cuántica, los agujeros negros se evaporan lentamente al emitir radiación a través de su horizonte de sucesos (un punto del que ni siquiera la luz puede escapar).
Hawking demostró que los agujeros negros se comportan como fuentes de calor en el universo, con una temperatura inversamente proporcional a su masa. Esto significa que los agujeros negros ligeros son mucho más calientes y se evaporan más rápidamente que los masivos. En particular, si en el universo primitivo se formaran agujeros negros primordiales más ligeros que unos pocos miles de millones de gramos (10 mil millones de veces más pequeños que la masa de la Luna), como sugieren muchos modelos, ya se habrían evaporado.
En presencia del campo de Higgs, estos objetos se comportarían como impurezas en una bebida gaseosa, ayudando al líquido a formar burbujas de gas al contribuir a su energía a través del efecto de la gravedad (debido a la masa del campo de Higgs). agujero) y la temperatura ambiente (debido a su radiación de Hawking).
Cuando los agujeros negros primordiales se evaporan, calientan el universo localmente. Evolucionarían en medio de puntos calientes que podrían ser mucho más calientes que el universo circundante, pero aún más fríos que su temperatura típica de Hawking. Lo que demostramos, utilizando una combinación de cálculos analíticos y simulaciones numéricas, es que, debido a la existencia de estos puntos calientes, harían que el campo de Higgs burbujeara constantemente.
Pero todavía estamos aquí. Esto significa que es muy poco probable que tales objetos hayan existido alguna vez. De hecho, deberíamos descartar todos los escenarios cosmológicos que predicen su existencia.
Eso es, por supuesto, a menos que descubramos alguna evidencia de su existencia pasada en radiación u ondas gravitacionales antiguas. Si lo hacemos, eso puede ser aún más emocionante. Eso indicaría que hay algo que no sabemos sobre el Higgs; algo que lo protege de burbujear en presencia de agujeros negros primordiales en evaporación. De hecho, pueden tratarse de partículas o fuerzas completamente nuevas.
De cualquier manera, está claro que todavía tenemos mucho que descubrir sobre el universo en las escalas más pequeña y más grande.
Este artículo editado se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.