Deși universul nostru poate părea stabil, fiindcă a existat pentru o groază 13,7 miliarde de animai multe experimente sugerează că este în pericol – mersul pe marginea unei stânci foarte periculoase. Și totul se datorează instabilității unui singur particulă fundamentală: cel bosonul Higgs.
În noi cercetări de mine și colegii mei, tocmai acceptați pentru publicare în Physical Letters B, arătăm că unele modele ale universului timpuriu, cele care implică obiecte numite găuri negre primordiale ușoare, este puțin probabil să aibă dreptate, deoarece ar fi declanșat sfârșitul bosonului Higgs. cosmosul până acum.
Bosonul Higgs este responsabil pentru masă și interacțiuni dintre toate particulele pe care le cunoaștem. Asta pentru că masele particulelor sunt o consecință a particulelor elementare interacționând cu un câmpnumit câmpul Higgs. Deoarece bosonul Higgs există, știm că câmpul există.
Vă puteți gândi la acest câmp ca la o baie de apă perfect nemișcată în care ne înmuiem. 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 privesc de obicei înapoi în timp).
LEGATE DE: Antimateria detectată pe Stația Spațială Internațională ar putea dezvălui o nouă fizică
Dar câmpul Higgs nu este probabil să fie în cea mai scăzută stare de energie posibilă în care ar putea fi. Asta înseamnă că teoretic și-ar putea schimba starea, coborând la o stare de energie mai scăzută într-o anumită locație. Dacă s-ar întâmpla, totuși, legile fizicii ar modifica dramatic.
O astfel de schimbare ar reprezenta ceea ce fizicienii numesc o tranziție de fază. Acesta este ceea ce 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 scăzută, cu o fizică complet diferită în ele.
Într-o astfel de bulă, masa electronilor s-ar schimba brusc, la fel și interacțiunile sale cu alte particule. Protonii și neutronii – care alcătuiesc nucleul atomic și sunt formați din quarci – s-ar disloca brusc. În esență, oricine se confruntă cu o astfel de schimbare probabil nu ar mai putea să o raporteze.
Risc constant
Măsurători recente ale maselor particulelor de la Ciocnitorul mare de hadroni (LHC) de la Cern sugerează că un astfel de eveniment ar putea fi posibil. Dar nu intrați în panică; acest lucru se poate întâmpla doar în câteva mii de miliarde de miliarde de ani după ce ne pensionăm. Din acest motiv, pe coridoarele de Fizica particulelor departamente, se spune de obicei că universul nu este instabil, ci mai degrabă „meta-stabil”, deoarece sfârșitul lumii nu se va întâmpla prea curând.
Pentru a forma o bula, câmpul Higgs are nevoie de un motiv întemeiat. Din cauza mecanica cuanticăteoria care guvernează microcosmosul atomilor și particulelor, energia lui Higgs este mereu fluctuantă. Și este posibil din punct de vedere statistic (deși puțin probabil, motiv pentru care durează atât de mult timp) ca Higgs să formeze o bula din când în când.
Cu toate acestea, povestea este diferită în prezența surselor externe de energie precum câmpuri gravitaționale puternice sau plasma fierbinte (o formă de materie alcătuită din particule încărcate): câmpul poate împrumuta această energie pentru a forma mai ușor bule.
Prin urmare, deși nu există niciun motiv să ne așteptăm ca câmpul Higgs să formeze numeroase bule astăzi, o mare întrebare în contextul cosmologiei este dacă mediile extreme la scurt timp după Big Bang ar fi putut declanșa un astfel de barbotare.
Cu toate acestea, când universul era foarte fierbinte, deși era disponibilă energie pentru a ajuta la formarea bulelor Higgs, efectele termice i-au stabilizat și pe Higgs prin modificarea proprietăților sale cuantice. Prin urmare, această căldură nu ar putea declanșa sfârșitul universului, motiv pentru care suntem încă aici.
Găuri negre primordiale
În noua noastră cercetare, am arătat că există totuși o sursă de căldură care ar provoca în mod constant astfel de barbotare (fără efectele termice stabilizatoare observate în primele zile după Big Bang). Acestea sunt găurile negre primordiale, un tip de gaură neagră care a apărut în universul timpuriu din prăbușirea unor regiuni prea dense ale spațiu-timpului. Spre deosebire de găurile negre normale, care se formează atunci când stelele se prăbușesc, cele primordiale ar putea fi mici – la fel de ușoare ca un gram.
universul a explodat uriaș după Big Bang.
Cu toate acestea, demonstrarea acestei existențe vine cu o mare avertizare: Stephen Hawking a demonstrat în anii 1970 că, din cauza mecanicii cuantice, găurile negre se evaporă lent prin emiterea de radiații prin orizontul lor de evenimente (un punct în care nici măcar lumina nu poate scăpa).
Hawking a arătat că găurile negre se comportă ca surse de căldură în univers, cu a temperatura invers proporţională 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 de 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 până acum.
În prezența câmpului Higgsastfel de obiecte s-ar comporta ca impuritățile dintr-o băutură gazoasă – ajutând lichidul să formeze bule de gaz, contribuind la energia sa prin efectul gravitației (datorită masei găurii negre) și al temperaturii ambientale (datorită radiației sale Hawking).
Când găurile negre primordiale se evaporă, ele încălzesc universul la nivel local. Ei ar evolua în mijlocul unor puncte fierbinți care ar putea fi mult mai fierbinți decât universul înconjurător, dar totuși mai reci decât temperatura lor tipică Hawking. Ceea ce am arătat, utilizând o combinație de calcule analitice și simulări numerice, este că, din cauza existenței acestor puncte fierbinți, ele ar determina în mod constant să bule câmpul Higgs.
Dar suntem încă aici. Aceasta înseamnă că este foarte puțin probabil ca astfel de obiecte să fi existat vreodată. De fapt, ar trebui să excludem toate scenariile cosmologice care prezic existența lor.
Asta, desigur, dacă nu descoperim unele dovezi ale existenței lor anterioare în radiații antice sau unde gravitaționale. Dacă o facem, poate fi și mai interesant. Asta ar indica că există ceva ce nu știm despre Higgs; ceva care o protejează de barbotare în prezența găurilor negre primordiale care se evaporă. Acestea pot fi, de fapt, particule sau forțe noi.
Oricum ar fi, este clar că mai avem multe de descoperit despre univers la scara cea mai mică și cea mai mare.
Acest articol editat este republicat din Conversatia sub o licență Creative Commons. Citeste Articol original.