Descoberta: O que seria do Universo se o bóson de Higgs tivesse agido?

Embora nosso Universo pareça estável, tendo existido por incríveis 13,7 bilhões de anos, vários experimentos sugerem que ele está em risco – caminhando à beira de um abismo muito perigoso. E tudo isso se deve à instabilidade de uma única partícula fundamental: o bóson de Higgs.

Em nova pesquisa realizada por mim e meus colegas, que acaba de ser aceita para publicação no periódico Physical Letters B, mostramos que alguns modelos do Universo primitivo, aqueles que envolvem objetos chamados buracos negros primordiais leves, provavelmente não estão corretos, pois já teriam acionado o bóson de Higgs para acabar com o Cosmo.

O bóson de Higgs é responsável pela massa e pelas interações de todas as partículas que conhecemos. Isso ocorre porque as massas das partículas são uma consequência das partículas elementares interagindo com um campo, denominado campo de Higgs. Como o bóson de Higgs existe, sabemos que o campo existe.

Você pode pensar nesse campo como uma banheira de água perfeitamente parada na qual estamos mergulhados. 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 geralmente olham para trás no tempo).

Mas é provável que o campo de Higgs não esteja no estado de energia mais baixo possível. Isso significa que, teoricamente, ele poderia mudar seu estado, caindo para um estado de energia mais baixo em um determinado local. No entanto, se isso acontecesse, as leis da física seriam drasticamente alteradas.

Essa 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, de forma semelhante, bolhas de baixa energia no espaço com uma física completamente diferente.

Em tal bolha, a massa dos elétrons mudaria repentinamente, assim como suas interações com outras partículas. Os prótons e nêutrons – que compõem o núcleo atômico e são feitos de quarks – se deslocariam repentinamente. Essencialmente, qualquer pessoa que experimentasse essa mudança provavelmente não seria mais capaz de relatá-la.

Risco constante

Medições recentes de massas de partículas do Grande Colisor de Hádrons (LHC) no Cern sugerem que esse evento pode ser possível. Mas não entre em pânico: isso só poderá ocorrer em alguns milhares de bilhões de anos depois que nos aposentarmos. Por esse motivo, 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 acontecerá tão cedo.

Para formar uma bolha, o campo de Higgs precisa de um bom motivo. Devido à mecânica quântica, a teoria que rege 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.

Entretanto, 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 tomar emprestada essa energia para formar bolhas mais facilmente.

Portanto, embora não haja razão para esperar que o campo de Higgs forme inúmeras bolhas atualmente, uma grande questão no contexto da Cosmologia é se os ambientes extremos logo após o Big Bang poderiam ter desencadeado essa formação de bolhas.

Entretanto, quando o Universo estava muito quente, embora houvesse energia disponível para ajudar a formar as 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 esse borbulhamento (sem os efeitos térmicos estabilizadores observados nos primeiros dias após o Big Bang). Trata-se dos 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.

A existência de tais buracos negros leves é uma previsão de muitos modelos teóricos que descrevem a evolução do Cosmos logo após o Big Bang. Isso inclui alguns modelos de inflação, que sugerem que o Universo aumentou enormemente de tamanho logo após o Big Bang.

Entretanto, a comprovação dessa existência tem 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 (o limite do qual nem mesmo a luz pode escapar de sua atração gravitacional), no que ficou conhecida como radiação Hawking.

Hawking demonstrou que os buracos negros se comportam como fontes de calor no Universo, com uma temperatura inversamente proporcional à sua massa. Isso significa que os buracos negros leves são muito mais quentes e evaporam mais rapidamente do que os maciços. 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 menor do que a massa da Lua), como muitos modelos sugerem, eles já teriam evaporado.

Na presença do campo de Higgs, esses objetos se comportariam como impurezas em uma bebida gaseificada – ajudando o líquido a formar bolhas de gás, contribuindo para 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 típica de Hawking. O que mostramos, usando uma combinação de cálculos analíticos e simulações numéricas, é que, devido à existência desses pontos quentes, eles fariam com que o campo de Higgs borbulhasse constantemente.

Mas ainda estamos aqui. Isso significa que é altamente improvável que tais objetos tenham existido. De fato, devemos 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 empolgante. 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, indicarem a existência de partículas ou forças totalmente novas.

De qualquer forma, está claro que ainda temos muito a descobrir sobre o Universo nas escalas menores e maiores.

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