Частицы Хиггса и крошечные черные дыры могли уничтожить нашу Вселенную

Хотя наша Вселенная может показаться стабильной, поскольку она существует уже целых 13,7 миллиардов лет, несколько экспериментов показывают, что она находится в опасности — идя по краю очень опасной скалы. И все это из-за нестабильности единственной фундаментальной частицы: бозона Хиггса.

В новом исследовании меня и моих коллег, только что принятом к публикации в Physical Letters B, мы показывают, что некоторые модели ранней Вселенной, включающие в себя объекты, называемые легкими первичными черными дырами, вряд ли верны, потому что они уже сейчас вызвали бы появление бозона Хиггса, который положил бы конец космосу.

Бозон Хиггса — это отвечает за массу и взаимодействие всех известных нам частиц. Это потому, что массы частиц являются следствием взаимодействия элементарных частиц с полем, получившим название поля Хиггса. Поскольку бозон Хиггса существует, мы знаем, что поле существует.

Вы можете думать об этом поле как о совершенно неподвижной водяной бане, в которой мы погружаемся. Оно имеет одинаковые свойства во всей Вселенной. Это означает, что мы наблюдаем одни и те же массы и взаимодействия во всем космосе. Эта однородность позволила нам наблюдать и описывать одну и ту же физику на протяжении нескольких тысячелетий (астрономы обычно смотрят назад во времени).

Но поле Хиггса вряд ли находится в самом низком энергетическом состоянии, каким оно могло бы быть. Это означает, что теоретически он может изменить свое состояние, перейдя в состояние с более низкой энергией в определенном месте. Однако если бы это произошло, это радикально изменило бы законы физики.

Такое изменение будет представлять собой то, что физики называют фазовым переходом. Вот что происходит, когда вода превращается в пар, образуя при этом пузырьки. Фазовый переход в поле Хиггса аналогичным образом создал бы низкоэнергетические пузыри пространства с совершенно другой физикой в ​​них.

В таком пузыре масса электронов внезапно изменилась бы, как и их взаимодействие с другими частицы. Протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро ​​и состоящие из кварков, внезапно сместятся. По сути, любой, кто столкнется с такими изменениями, скорее всего, больше не сможет сообщить об этом.

Постоянный риск

Недавние измерения масс частиц на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН позволяют предположить, что такое событие может быть возможным. Но не паникуйте; это может произойти только через несколько тысяч миллиардов миллиардов лет после того, как мы выйдем на пенсию. По этой причине в коридорах кафедр физики элементарных частиц обычно говорят, что Вселенная не нестабильна, а скорее «метастабильна», потому что конец света наступит не скоро.

Чтобы сформировать пузырь, поле Хиггса нуждается в веской причине. Из-за квантовой механики, теории, которая управляет микрокосмом атомов и частиц, энергия Хиггса всегда колеблется. И статистически возможно (хотя и маловероятно, поэтому это занимает так много времени), что бозон Хиггса время от времени образует пузырь.

Однако дело обстоит иначе при наличии внешних источников энергии, таких как сильные гравитационные поля или горячая плазма (форма материи, состоящая из заряженных частиц): поле может заимствовать эту энергию для более легкого образования пузырей.

Поэтому, хотя нет никаких оснований ожидать, что поле Хиггса сегодня образует многочисленные пузыри, большой вопрос в контексте космологии заключается в том, могли ли экстремальные условия вскоре после Большого взрыва вызвать такое пузырение.

Однако, когда Вселенная была очень горячей, хотя энергия была доступна для помогают формировать пузыри Хиггса, тепловые эффекты также стабилизируют бозон Хиггса, изменяя его квантовые свойства. Следовательно, это тепло не могло спровоцировать конец Вселенной, и, вероятно, именно поэтому мы все еще здесь.

Первичные черные дыры

В нашем новом исследовании мы показали, что существует один источник Однако это могло бы постоянно вызывать такое пузырение тепла (без стабилизирующих тепловых эффектов, наблюдаемых в первые дни после Большого взрыва). Это первичные черные дыры, тип черных дыр, которые возникли в ранней Вселенной в результате коллапса слишком плотных областей пространства-времени.

В отличие от обычных черных дыр, которые образуются при коллапсе звезд, первичные дыры могли быть крошечными — легкий как грамм.

Существование таких легких черных дыр является предсказанием многих теоретических моделей, описывающих эволюцию космоса вскоре после Большого взрыва. Сюда входят некоторые модели инфляции, предполагающие, что Вселенная сильно увеличилась в размерах после Большого взрыва.

Однако доказательство этого существования требует большой оговорки: Стивен Хокинг продемонстрировал в 1970-х годах, что из-за квантовой механики , черные дыры медленно испаряются, испуская излучение через свой горизонт событий (точку, из которой не может выйти даже свет).

Хокинг показал, что черные дыры ведут себя как источники тепла во Вселенной, с температурой, обратно пропорциональной их масса. Это означает, что легкие черные дыры намного горячее и испаряются быстрее, чем массивные.

В частности, если в ранней Вселенной образовались первичные черные дыры легче нескольких тысяч миллиардов граммов (в 10 миллиардов раз меньшие, чем у массы Луны), как предполагают многие модели, они уже испарились бы.

В присутствии поля Хиггса такие объекты вели бы себя как примеси в газированном напитке, помогая жидкости образовывать пузырьки газа, способствуя к ее энергии за счет эффекта гравитации (из-за массы черной дыры) и температуры окружающей среды (из-за ее излучения Хокинга).

Когда первичные черные дыры испаряются, они локально нагревают Вселенную. Они будут развиваться в центре горячих точек, которые могут быть намного горячее, чем окружающая Вселенная, но все же холоднее, чем их типичная температура Хокинга. Используя сочетание аналитических расчетов и численного моделирования, мы показали, что из-за существования этих горячих точек они будут постоянно вызывать пузырение поля Хиггса.

Но мы все еще здесь. Это означает, что такие объекты вряд ли когда-либо существовали. Фактически, мы должны исключить все космологические сценарии, предсказывающие их существование.

Конечно, если мы не обнаружим какие-либо доказательства их прошлого существования в виде древнего излучения или гравитационных волн. Если мы это сделаем, это может быть еще более захватывающим. Это означало бы, что мы чего-то не знаем о Хиггсе; нечто, что защищает его от пузырьков в присутствии испаряющихся первичных черных дыр. На самом деле это могут быть совершенно новые частицы или силы.

В любом случае ясно, что нам еще многое предстоит узнать о Вселенной в самых маленьких и самых больших масштабах.

Люсьен Эртье, научный сотрудник по постдокторантуре, Королевский колледж Лондона

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.