Higgsov bozon mogao je do sada uništiti naš svemir — evo zašto smo još tu

Iako naš svemir može izgledati stabilno, opstajući nevjerojatnih 13,7 (ili 13,8) milijardi godina, nekoliko eksperimenata sugerira da je možda na rubu vrlo opasne nestabilnosti. Sve to zbog nestabilnosti jedne osnovne čestice: Higgsovog bozona. U novom istraživanju koje su proveli Lucien Heurtier, postdoktorski istraživač na King’s Collegeu u Londonu, i njegovi kolege, ovi znanstvenici pokazuju se da su neki modeli ranog svemira, koji uključuju objekte zvane lagane primordijalne crne rupe, vjerojatno pogrešni jer bi oni već potaknuli Higgsov bozon da okonča kozmos.

Uloga Higgsovog bozona

Higgsov bozon odgovoran je za masu i interakcije svih čestica koje poznajemo. Masa čestica rezultat je interakcije elementarnih čestica s poljem nazvanim Higgsovo polje. Postojanje Higgsovog bozona potvrđuje postojanje tog polja.

Zamislite Higgsovo polje kao savršeno mirnu vodenu kupku u kojoj uživamo. Ovo polje ima ista svojstva diljem cijelog svemira, što znači da čestice imaju iste mase i interakcije gdje god se nalazile. To nam je omogućilo da promatramo i opisujemo fiziku kroz više tisućljeća.

Međutim, Higgsovo polje vjerojatno nije u najnižem mogućem energetskom stanju. To znači da bi se teoretski moglo promijeniti, prelazeći u niže energetsko stanje na određenom mjestu. Ako bi se to dogodilo, zakoni fizike dramatično bi se promijenili.

Kako objašnjava Heurtier, takva promjena predstavljala bi fazni prijelaz, slično kao kada voda prelazi u paru stvarajući mjehuriće. Fazni prijelaz u Higgsovom polju stvorio bi mjehuriće prostora s potpuno drugačijom fizikom.

U takvom mjehuriću, masa elektrona i njegove interakcije s drugim česticama naglo bi se promijenile. Protoni i neutroni, koji čine atomske jezgre, iznenada bi se raspali. U suštini, tko god bi doživio takvu promjenu, vjerojatno više ne bi mogao izvijestiti o tome.

Stalni rizik?

Nedavna mjerenja masa čestica iz Velikog hadronskog sudarača (LHC) u CERN-u sugeriraju da bi takav događaj mogao biti moguć. Ali ne paničarite; to bi se moglo dogoditi tek za nekoliko tisuća milijardi milijardi godina. Zbog toga se u hodnicima odjela za fiziku čestica obično kaže da svemir nije nestabilan, već meta-stabilan, jer kraj svijeta neće doći uskoro.

Da bi Higgsovo polje stvorilo mjehurić, potrebna mu je odgovarajuća vanjska energija. Zbog kvantne mehanike, teorije koja upravlja mikrokosmosom atoma i čestica, energija Higgsovog polja uvijek varira. Statistički je moguće (iako malo vjerojatno) da Higgs povremeno stvori mjehurić.

Međutim, situacija se mijenja u prisutnosti vanjskih izvora energije poput jakih gravitacijskih polja ili vruće plazme (oblika materije sastavljenog od nabijenih čestica). U takvim uvjetima, Higgsovo polje može posuditi ovu energiju kako bi lakše stvorilo mjehuriće.

Uloga primordijalnih crnih rupa

U novom istraživanju, Heurtier je pokazao da postoji jedan izvor topline koji bi stalno uzrokovao stvaranje mjehurića (bez stabilizirajućih toplinskih efekata viđenih u ranim danima nakon Velikog praska). To su primordijalne crne rupe, tip crnih rupa koje su najvjerojatnije nastale u ranom svemiru kolapsom previše gustih regija prostora-vremena.

Za razliku od normalnih crnih rupa, koje nastaju kada zvijezde kolabiraju, primordijalne mogu biti sićušne – teške samo jedan gram. Postojanje takvih laganih crnih rupa predviđanje je mnogih teoretskih modela koji opisuju evoluciju kozmosa ubrzo nakon Velikog praska. To uključuje neke modele inflacije, sugerirajući da je svemir naglo narastao nakon Velikog praska.

Međutim, dokazivanje ovog postojanja nosi veliki uvjet: Stephen Hawking je 1970-ih pokazao da, zbog kvantne mehanike, crne rupe polako isparavaju emitirajući zračenje kroz svoj horizont događaja (točka u kojoj čak ni svjetlost ne može pobjeći). Hawking je pokazao da crne rupe djeluju kao izvori topline u svemiru, s temperaturom obrnuto proporcionalnom njihovoj masi. To znači da su lagane crne rupe mnogo toplije i isparavaju brže od masivnih. Konkretno, ako su primordijalne crne rupe lakše od nekoliko tisuća milijardi grama nastale u ranom svemiru (10 milijardi puta manje od mase Mjeseca), kako sugeriraju mnogi modeli, one bi do sada isparile.

Budućnost istraživanja

U prisutnosti Higgsovog polja, primordijalne crne rupe djelovale bi poput nečistoća u gaziranom piću, pomažući tekućini da formira mjehuriće plina. To čine pridonoseći energiji putem gravitacije (zbog mase crne rupe) i ambijentalne temperature (zbog Hawkingovog zračenja).

Kada primordijalne crne rupe isparavaju, lokalno zagrijavaju svemir. Te bi crne rupe evoluirale usred vrućih točaka koje bi mogle biti znatno toplije od okolnog svemira, ali još uvijek hladnije od njihove tipične Hawkingove temperature. Korištenjem kombinacije analitičkih proračuna i numeričkih simulacija, Heurtier je pokazao da bi ove vruće točke stalno uzrokovale stvaranje mjehurića u Higgsovom polju.

Ali mi smo još uvijek ovdje, što znači da je vrlo malo vjerojatno da su takvi objekti ikada postojali. Zapravo, trebali bismo isključiti sve kozmološke scenarije koji predviđaju njihovo postojanje.

Naravno, osim ako ne otkrijemo dokaze o njihovom prošlom postojanju u drevnom zračenju ili gravitacijskim valovima. Ako to učinimo, to bi moglo biti izuzetno uzbudljivo. To bi značilo da postoji nešto što ne znamo o Higgsovom polju, nešto što ga štiti od stvaranja mjehurića u prisutnosti isparavajućih primordijalnih crnih rupa. To bi mogle biti potpuno nove čestice ili sile.