A pie de Tierra, el universo parecer estable. No podría ser de otro modo. Hace al menos la friolera de 13 700 millones de años que persiste. Sin embargo, a medida que los expertos indagan más sobre las partículas cuánticas y su papel en el cosmos, la estabilidad se tambalea. Los experimentos sobre la partícula de Higgs (o bosón de Higgs) y el campo de Higgs muestran que algo pudo y podría salir mal.

Aún hoy la inestabilidad de una única partícula fundamental, el bosón de Higgs, nos coloca ante la inquietante posibilidad de que el cosmos llegue a su fin convirtiéndose en en burbujas.

De qué se ocupa el bosón de Higgs

El bosón de Higgs es responsable de la masa y las interacciones de todas las partículas que conocemos.

Y esa masa depende de la interacción de partículas elementales con un campo, denominado campo de Higgs.

Como el bosón de Higgs existe, sabemos que ese campo fundamental para que las partículas interacciones entre ellas existe.

El campo en el que nos sumergimos

Se puede pensar en este campo como en un baño de agua perfectamente inmóvil 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 lo más inquietante es que este campo fundamental tiene que ser exactamente como es. Si su estado energético fuera el más bajo posible, según los físicos, en teoría, podría cambiar de estado y si eso ocurriera las leyes de la física se alterarían drásticamente.

La burbuja

Tal cambio es lo que ocurre cuando el agua se convierte en vapor, formando burbujas en el proceso, es lo que los físicos llaman una transición de fase. Si este cambio se produjera, el campo de Higgs crearía burbujas de espacio de baja energía con una física completamente diferente.

En una burbuja así, la masa de los electrones cambiaría de repente, al igual que sus interacciones con otras partículas. Los protones y neutrones, que componen el núcleo atómico y están formados por quarks, se dislocarían de repente. Esencialmente, si se experimentara un cambio así nadie ni nada quedaría por aquí para contarlo.

El riesgo de cambio es constante

Mediciones recientes de masas de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN sugieren que tal evento podría ser posible. Pero que no cunda el pánico; es posible, sí, pero en unos miles de miles de millones de años. 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 probablemente llegará, pero 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 improbable, por eso llevaría tanto tiempo que ocurriera) que el Higgs forme una burbuja de vez en cuando.

¿Y si entra en juego una energía extra?

La historia es diferente, y ya no sería tanta la improbabilidad, en presencia de fuentes de energía externas como campos gravitatorios fuertes o plasma caliente (una forma de materia compuesta de partículas cargadas). El campo de Higgs podría tomar prestada esta energía extra 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 ambientes extremos poco después del Big Bang podrían haber desencadenado tal burbujeo.

Los datos apuntan a que en ese momento, cuando el universo estaba muy caliente y había energía disponible para ayudar a formar las destructivas burbujas de Higgs, esos efectos térmicos también sirvieron al mismo tiempo para estabilizar el Higgs modificando sus propiedades cuánticas. Así que este calor no pudo desencadenar el fin del universo, que es probablemente la razón por la que todavía estamos aquí.

El dilema de los agujeros negros primordiales

Nuestra nueva investigación que acaba de ser aceptada para su publicación en Physical Letters, demuestra que existe una fuente de calor que provocaría constantemente ese burbujeo indeseable del campo de Higgs (sin los efectos térmicos estabilizadores observados en los primeros días tras el Big Bang). La fuente de este calor podrían ser agujeros negros primordiales, un tipo de agujero negro que hipotéticamente 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 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, que sugieren que el universo aumentó enormemente de tamaño tras el Big Bang.

El dilema y la solución

Sin embargo, demostrar esta existencia conlleva una gran advertencia: Stephen Hawking demostró en los años 70 que, debido a la mecánica cuántica, los agujeros negros se evaporan lentamente emitiendo radiación a través de su horizonte de sucesos (un punto al 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 formaron agujeros negros primordiales más ligeros que unos pocos miles de miles de millones de gramos (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 mediante el efecto de la gravedad (debido a la masa del agujero negro) y la temperatura ambiente (debido a su radiación Hawking).

Cuando los agujeros negros primordiales se evaporan, calientan el universo localmente. Evolucionarían en medio de puntos que podrían ser mucho más calientes que el universo circundante, pero aún más fríos que la temperatura Hawking típica.

Lo que demostramos, utilizando una combinación de cálculos analíticos y simulaciones numéricas, es que estos puntos calientes harían burbujear constantemente el campo de Higgs. Y, con esto, el fin.

Pero todavía estamos aquí. Así que hay que mirar lo observado desde un punto de vista radicalmente distinto. Esto significa que es muy improbable que tales objetos hayan existido alguna vez. De hecho, deberíamos descartar todos los escenarios cosmológicos que predicen la existencia de agujeros negros primordiales.

Eso, por supuesto, a menos que descubramos alguna prueba de su existencia pasada en la radiación antigua o en las ondas gravitacionales. Si se encuentra puede 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. Podría tratarse, de hecho, de partículas o fuerzas completamente nuevas.

En cualquier caso, está claro que aún nos queda mucho por descubrir sobre el inquietante universo en las escalas más pequeñas y más grandes.

Artículo traducido gracias a la colaboración con Fundación Lilly.

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

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.