“Podría haber acabado con el universo”: las razones de por qué seguimos vivos después del bosón de Higgs

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 sola partícula fundamental: el bosón de Higgs.

En una nueva investigación mía y de mis colegas, que acaba de ser aceptada para su publicación en Physical Letters B, mostramos que algunos modelos del universo primitivo, aquellos que involucran objetos llamados agujeros negros primordiales ligeros, es poco probable que sean correctos porque ya habrían desencadenado 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 una consecuencia de la interacción de las partículas elementales con un campo, denominado campo de Higgs. Debido a que el bosón de Higgs existe, sabemos que el campo existe.

Puedes pensar en este campo como un baño de agua perfectamente quieto 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 a lo largo de varios milenios (los astrónomos suelen mirar hacia atrás en el tiempo).

Pero no es probable que el campo de Higgs esté en el estado de energía más bajo posible en el que podría estar. 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 sucediera, alteraría drásticamente las leyes de la física.

Tal cambio representaría lo que los físicos llaman una transición de fase. Esto es lo que sucede 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 baja energía en el espacio con una física completamente diferente en ellas.

En una burbuja de este tipo, 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 formados por quarks, se dislocarían repentinamente. Esencialmente, es probable que cualquier persona que experimente un cambio de este tipo ya no pueda informarlo.

Las mediciones recientes de las masas de las partículas del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN sugieren que tal evento podría ser posible. Pero que no cunda el pánico; esto solo puede ocurrir en unos pocos miles de miles de millones 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 más bien “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 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 fuertes campos gravitatorios o plasma caliente (una forma de materia formada por partículas cargadas): el campo puede tomar prestada esta energía para formar burbujas más fácilmente.

Por lo tanto, aunque no hay razón 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 Higgs modificando sus propiedades cuánticas. Por lo tanto, este calor no pudo desencadenar el fin del universo, que es probablemente la razón por la que todavía estamos aquí.

Sin embargo, en nuestra nueva investigación, demostramos que hay una fuente de calor que causaría constantemente tal burbujeo (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 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 ligeros como un gramo.

La existencia de estos agujeros negros ligeros es una predicción de muchos modelos teóricos que describen la evolución del cosmos poco después del Big Bang. Esto incluye algunos modelos de inflación, lo que sugiere que el universo explotó enormemente en tamaño después del Big Bang.

Sin embargo, probar esta existencia viene con una gran advertencia: 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 eventos (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 se formaron agujeros negros primordiales más ligeros que unos pocos miles de millones de gramos en el universo temprano (10.000 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, tales 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 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 aquí seguimos. 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, por supuesto, a menos que descubramos alguna evidencia de su existencia pasada en la radiación antigua o en las ondas gravitacionales. 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 que se evaporan. De hecho, puede tratarse de partículas o fuerzas completamente nuevas.

De cualquier manera, está claro que todavía tenemos mucho por descubrir sobre el universo en las escalas más pequeñas y más grandes.

*Lucien Heurtier es Investigador postdoctoral asociado, King’s College de Londres