Embora nosso universo possa parecer estável, tendo existido por incríveis 13,7 bilhões de anos, vários experimentos sugerem que ele está em risco — caminhando na beira de um penhasco muito perigoso. E tudo se resume à instabilidade de um único partícula fundamental: o Bóson de Higgs.
Em nova pesquisa por mim e meus colegas, recentemente aceito para publicação na Physical Letters B, mostramos que alguns modelos do universo primitivo, aqueles que envolvem objetos chamados buracos negros primordiais leves, provavelmente não estão corretos porque já teriam acionado o bóson de Higgs para acabar com o cosmos.
O bóson de Higgs é responsável pela massa e interações de todas as partículas que conhecemos. Isso porque as massas das partículas são uma consequência das partículas elementares interagindo com um campoapelidado de campo de Higgs. Como o bóson de Higgs existe, sabemos que o campo existe.
Você pode pensar neste campo como um banho de água perfeitamente parada em que mergulhamos. Ele tem propriedades idênticas em todo o universo. Isso significa que observamos as mesmas massas e interações em todo o cosmos. Essa uniformidade nos permitiu observar e descrever a mesma física ao longo de vários milênios (os astrônomos normalmente olham para trás no tempo).
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Mas o campo de Higgs provavelmente não está no menor estado de energia possível. Isso significa que ele poderia teoricamente mudar seu estado, caindo para um estado de energia mais baixo em um determinado local. Se isso acontecesse, no entanto, alteraria as leis da física dramaticamente.
Tal mudança representaria o que os físicos chamam de transição de fase. É o que acontece quando a água se transforma em vapor, formando bolhas no processo. Uma transição de fase no campo de Higgs criaria similarmente bolhas de espaço de baixa energia com física completamente diferente nelas.
Em tal bolha, a massa dos elétrons mudaria de repente, e também suas interações com outras partículas. Prótons e nêutrons — que compõem o núcleo atômico e são feitos de quarks — se deslocariam de repente. Essencialmente, qualquer um que experimentasse tal mudança provavelmente não seria mais capaz de relatá-la.
Risco constante
Medições recentes de massas de partículas do Large Hadron Collider (LHC) no Cern sugerem que tal evento pode ser possível. Mas não entre em pânico; isso pode ocorrer somente em alguns milhares de bilhões de bilhões de anos após nos aposentarmos. Por essa razão, nos corredores dos departamentos de física de partículas, costuma-se dizer que o universo não é instável, mas sim “metaestável”, porque o fim do mundo não vai acontecer tão cedo.
Para formar uma bolha, o campo de Higgs precisa de uma boa razão. Devido à mecânica quântica, a teoria que governa o microcosmo de átomos e partículas, a energia do Higgs está sempre flutuando. E é estatisticamente possível (embora improvável, e é por isso que leva tanto tempo) que o Higgs forme uma bolha de tempos em tempos.
No entanto, a história é diferente na presença de fontes externas de energia como campos gravitacionais fortes ou plasma quente (uma forma de matéria composta de partículas carregadas): o campo pode pegar emprestada essa energia para formar bolhas mais facilmente.
Portanto, embora não haja razão para esperar que o campo de Higgs forme inúmeras bolhas hoje, uma grande questão no contexto da cosmologia é se os ambientes extremos logo após o Big Bang poderiam ter desencadeado tais borbulhamentos.
No entanto, quando o universo estava muito quente, embora houvesse energia disponível para ajudar a formar bolhas de Higgs, os efeitos térmicos também estabilizaram o Higgs modificando suas propriedades quânticas. Portanto, esse calor não poderia desencadear o fim do universo, o que provavelmente é o motivo de ainda estarmos aqui.
Buracos negros primordiais
Em nossa nova pesquisa, mostramos que há uma fonte de calor, no entanto, que causaria constantemente tal borbulhamento (sem os efeitos térmicos estabilizadores vistos nos primeiros dias após o Big Bang). São os buracos negros primordiais, um tipo de buraco negro que surgiu no universo primitivo a partir do colapso de regiões excessivamente densas do espaço-tempo. Ao contrário dos buracos negros normais, que se formam quando as estrelas entram em colapso, os primordiais podem ser minúsculos — tão leves quanto um grama.
o universo explodiu enormemente em tamanho após o Big Bang.
No entanto, provar essa existência vem com uma grande ressalva: Stephen Hawking demonstrou na década de 1970 que, devido à mecânica quântica, os buracos negros evaporam lentamente emitindo radiação através de seu horizonte de eventos (um ponto do qual nem mesmo a luz consegue escapar).
Hawking mostrou que os buracos negros se comportam como fontes de calor no universo, com uma temperatura inversamente proporcional à sua massa. Isso significa que buracos negros leves são muito mais quentes e evaporam mais rapidamente do que os massivos. Em particular, se buracos negros primordiais mais leves do que alguns milhares de bilhões de gramas se formaram no universo primitivo (10 bilhões de vezes menores do que a massa da Lua), como muitos modelos sugerem, eles já teriam evaporado.
No presença do campo de Higgstais objetos se comportariam como impurezas em um refrigerante — ajudando o líquido a formar bolhas de gás ao contribuir com sua energia por meio do efeito da gravidade (devido à massa do buraco negro) e da temperatura ambiente (devido à sua radiação Hawking).
Quando os buracos negros primordiais evaporam, eles aquecem o universo localmente. Eles evoluiriam no meio de pontos quentes que poderiam ser muito mais quentes do que o universo ao redor, mas ainda mais frios do que sua temperatura Hawking típica. O que mostramos, usando uma combinação de cálculos analíticos e simulações numéricas, é que, por causa da existência desses pontos quentes, eles constantemente fariam o campo de Higgs borbulhar.
Mas ainda estamos aqui. Isso significa que é altamente improvável que tais objetos tenham existido. Na verdade, deveríamos descartar todos os cenários cosmológicos que preveem sua existência.
Isso, é claro, a menos que descubramos alguma evidência de sua existência passada em radiação antiga ou ondas gravitacionais. Se descobrirmos, isso pode ser ainda mais emocionante. Isso indicaria que há algo que não sabemos sobre o Higgs; algo que o protege de borbulhar na presença de buracos negros primordiais em evaporação. Isso pode, de fato, ser novas partículas ou forças.
De qualquer forma, está claro que ainda temos muito a descobrir sobre o universo nas menores e maiores escalas.
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