Lucien Heurtier , King’s College de Londres
Aunque nuestro universo puede parecer estable, ya que ha existido durante nada menos que 13.700 millones de años, varios experimentos sugieren que está en peligro: camina al borde de un precipicio muy peligroso. Y todo se debe a la inestabilidad de una única partícula fundamental : el bosón de Higgs .
En una nueva investigación realizada por mí y mis colegas, recientemente aceptada para su publicación en Physical Letters B, demostramos que algunos modelos del universo temprano, aquellos que involucran objetos llamados agujeros negros primordiales ligeros, probablemente no sean correctos porque ya habrían activado el bosón de Higgs para poner fin al 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 una consecuencia de la interacción de las partículas elementales con un campo , denominado campo de Higgs. Como el bosón de Higgs existe, sabemos que el campo existe.
Podemos pensar en este campo como si fuera un baño de agua en perfecta calma en el que nos sumergimos. Tiene propiedades idénticas en todo el universo, lo que significa que observamos las mismas masas e interacciones en todo el cosmos. Esta uniformidad nos ha permitido observar y describir la misma física a lo largo de varios milenios (los astrónomos suelen mirar hacia atrás en el tiempo).
Pero no es probable que el campo de Higgs se encuentre en el estado de energía más bajo posible. Eso significa que, en teoría, podría cambiar su estado y caer a un estado de energía más bajo en un lugar determinado. Sin embargo, si eso sucediera, alteraría drásticamente las leyes de la física.
Un cambio de este tipo representaría lo que los físicos llaman una transición de fase. Esto es lo que ocurre cuando el agua se convierte en vapor, formando burbujas en el proceso. Una transición de fase en el campo de Higgs crearía de manera similar burbujas de espacio de baja energía con una física completamente diferente en su interior.
En una burbuja de este tipo, la masa de los electrones cambiaría de repente, y lo mismo ocurriría con sus interacciones con otras partículas. Los protones y neutrones (que forman el núcleo atómico y están hechos de quarks) se dislocarían de repente. Básicamente, cualquiera que experimentara un cambio de este tipo probablemente ya no podría informar al respecto.
Riesgo constante
Las recientes mediciones de masas de partículas del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN sugieren que tal acontecimiento podría ser posible. Pero no hay que alarmarse: esto sólo puede ocurrir dentro de unos cuantos miles de billones de billones de años, después de que nos jubilemos. Por esta razón, en los pasillos de los departamentos de física de partículas se suele decir que el universo no es inestable, sino más bien “metaestable”, porque el fin del mundo no ocurrirá en un futuro próximo.
Para que se forme una burbuja, el campo de Higgs necesita una buena razón. Debido a la mecánica cuántica, la teoría que gobierna 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 campos gravitacionales fuertes o plasma caliente (una forma de materia compuesta de partículas cargadas): el campo puede tomar prestada esta energía para formar burbujas más fácilmente.
Por lo tanto, aunque no hay motivos para esperar que el campo de Higgs forme numerosas burbujas hoy en día, una gran pregunta en el contexto de la cosmología es si los entornos extremos poco después del Big Bang podrían haber desencadenado tal burbujeo.
Sin embargo, cuando el universo estaba muy caliente, aunque había energía disponible para ayudar a formar burbujas de Higgs, los efectos térmicos también estabilizaron el bosón de Higgs modificando sus propiedades cuánticas. Por lo tanto, este calor no pudo provocar el fin del universo, que es probablemente la razón por la que todavía estamos aquí.
Agujeros negros primordiales
En nuestra nueva investigación, demostramos que hay una fuente de calor que causaría constantemente ese burbujeo (sin los efectos térmicos estabilizadores observados en los primeros días después del Big Bang). Se trata de los agujeros negros primordiales, un tipo de agujero negro que surgió en el universo primitivo a partir del colapso de regiones excesivamente densas del espacio-tiempo. A diferencia de los agujeros negros normales, que se forman cuando las estrellas colapsan, los primordiales podrían ser diminutos, tan ligeros como un gramo.
La existencia de agujeros negros tan ligeros es una predicción de muchos modelos teóricos que describen la evolución del cosmos poco después del Big Bang. Entre ellos se incluyen algunos modelos de inflación , que sugieren que el universo aumentó enormemente de tamaño después del Big Bang.
Sin embargo, probar esta existencia conlleva una gran salvedad: Stephen Hawking demostró en la década de 1970 que, debido a la mecánica cuántica, los agujeros negros se evaporan lentamente emitiendo radiación a través de su horizonte de sucesos (un punto en el 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 los agujeros negros primordiales más ligeros que unos pocos miles de millones de gramos se formaron en el universo primitivo (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 , dichos objetos se comportarían como impurezas en una bebida gaseosa, ayudando al líquido a formar burbujas de gas al contribuir a su energía mediante el efecto de la gravedad (debido a la masa del agujero negro) 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 aún 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.
Por supuesto, esto es así a menos que descubramos alguna evidencia de su existencia pasada en la radiación antigua o en las ondas gravitacionales. Si lo hacemos, eso podría ser aún más emocionante. Eso indicaría que hay algo que no sabemos sobre el bosón de Higgs; algo que lo protege de burbujear en presencia de agujeros negros primordiales en evaporación. De hecho, esto podría ser partículas o fuerzas completamente nuevas.
De cualquier manera, está claro que todavía tenemos mucho que descubrir sobre el universo en las escalas más pequeñas y más grandes.
Lucien Heurtier , investigador asociado postdoctoral, King’s College London
Este artículo se publica nuevamente en The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original .
