Entendiendo el bosón de higgs: una explicación clara

Aunque nuestro universo aparenta ser estable, habiendo existido por 13.700 millones de años, varios experimentos indican que está en riesgo, como si caminara al borde de un peligroso precipicio. Todo esto se debe a la inestabilidad de una partícula elemental: el bosón de Higgs.

En una reciente investigación mía y de mis colegas, que ha sido aceptada para su publicación en Physical Letters B, demostramos que ciertos modelos del universo temprano, aquellos que involucran objetos llamados agujeros negros primordiales ligeros, es poco probable que sean correctos ya que habrían desencadenado el bosón de Higgs, acabando con el cosmos.

Podría haber terminado con el universo: las razones por las que seguimos vivos después del bosón de Higgs

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 resultado de la interacción de las partículas elementales con un campo, conocido como campo de Higgs. Dado que el bosón de Higgs existe, sabemos que este campo también existe.

Visualízalo como un baño de agua perfectamente quieto en el cual estamos sumergidos. Tiene propiedades uniformes en todo el universo. Esto significa que observamos las mismas masas e interacciones en todo el cosmos, permitiéndonos observar y describir la misma física a lo largo de varios milenios (los astrónomos suelen mirar hacia atrás en el tiempo).

No obstante, es poco probable que el campo de Higgs esté en su estado de energía más bajo posible. Esto implica que, en teoría, podría cambiar su estado, cayendo a un nivel de energía más bajo en un lugar específico. Si esto ocurriera, alteraría drásticamente las leyes de la física.

Un cambio de este tipo representaría lo que los físicos denominan 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 generaría, de manera similar, burbujas de baja energía en el espacio con una física completamente diferente en ellas.

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

Riesgo constante

Las recientes mediciones de las masas de las partículas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN sugieren que tal evento podría ser posible. Sin embargo, no hay motivo para alarmarse; esto solo podría ocurrir dentro de miles de millones de años, mucho después de que nos hayamos jubilado. Por ello, en los corredores de los departamentos de física de partículas, se suele decir que el universo no es inestable sino “metaestable”, ya que el fin del mundo no está cercano.

Para que se forme una burbuja, el campo de Higgs necesita una razón convincente. Debido a la mecánica cuántica, la teoría que rige el microcosmos de átomos y partículas, la energía del Higgs siempre fluctúa. Es estadísticamente posible (aunque poco probable, de ahí que tome tanto tiempo) que el Higgs forme una burbuja de vez en cuando.

No obstante, la historia cambia en la presencia de fuentes de energía externas como fuertes campos gravitatorios o plasma caliente (una forma de materia compuesta de partículas cargadas): el campo puede utilizar 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 cuestión en el contexto de la cosmología es si los entornos extremos poco después del Big Bang podrían haber desencadenado tal formación de burbujas.

Cuando el universo estaba extremadamente caliente, aunque existía energía disponible para ayudar a formar burbujas de Higgs, los efectos térmicos también estabilizaron el Higgs modificando sus propiedades cuánticas. Por tanto, este calor no pudo desencadenar el fin del universo, lo que probablemente explica por qué aún estamos aquí.

Agujeros negros primordiales

Sin embargo, en nuestra nueva investigación, demostramos que existe una fuente de calor que podría causar tal formación de burbujas (sin los efectos térmicos estabilizadores observados en los primeros días después del Big Bang). Esta fuente son los agujeros negros primordiales, un tipo de agujero negro que surgió en el universo primitivo 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 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 se expandió enormemente en tamaño después del Big Bang.

No obstante, demostrar su existencia conlleva 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 cual ni siquiera la luz puede escapar).

Hawking mostró 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, dichos objetos actuarían como impurezas en una bebida gaseosa, ayudando al líquido a formar burbujas de gas al contribuir con 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.

Aún así, aquí seguimos. Esto significa que es muy poco probable que tales objetos hayan existido alguna vez. De hecho, debemos 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, podría 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.