Partículas de Higgs e pequenos buracos negros podem ter destruído nosso universo: WebCuriosos

Embora o nosso Universo possa parecer estável, tendo existido há impressionantes 13,7 mil milhões de anos, várias experiências sugerem que está em risco – caminhando à 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, recém aceito para publicação em Letras Físicas Bmostramos que é improvável que alguns modelos do Universo primordial, aqueles que envolvem objetos chamados buracos negros primordiais leves, estejam 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 imóvel em que mergulhamos. Ele tem propriedades idênticas em todo o Universo. Isso significa que observamos as mesmas massas e interações em todo o cosmos. Esta uniformidade permitiu-nos observar e descrever a mesma física ao longo de vários milénios (os astrónomos normalmente olham para trás no tempo).

Mas não é provável que o campo de Higgs esteja no estado de energia mais baixo possível em que poderia estar. Isso significa que poderia, teoricamente, mudar o seu estado, caindo para um estado de energia mais baixo num determinado local. Se isso acontecesse, entretanto, alteraria dramaticamente as leis da física.

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 de forma semelhante bolhas espaciais de baixa energia com físicas completamente diferentes.

Em tal bolha, a massa dos elétrons mudaria repentinamente, e o mesmo aconteceria com suas interações com outras partículas. Os prótons e os nêutrons – que constituem o núcleo atômico e são feitos de quarks – se deslocariam repentinamente. Essencialmente, qualquer pessoa que sofra tal mudança provavelmente não será 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 só poderá ocorrer alguns milhares de bilhões de bilhões de anos depois de nos aposentarmos. Por isso, nos corredores dos departamentos de física de partículas, costuma-se dizer que o Universo não é instável, mas sim “meta-estável”, 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, teoria que rege o microcosmos 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 vez em quando.

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 por partículas carregadas): o campo pode emprestar essa energia para formar bolhas com mais facilidade.

Portanto, embora não haja razão para esperar que o campo de Higgs forme hoje numerosas bolhas, uma grande questão no contexto da cosmologia é se os ambientes extremos logo após o Big Bang poderiam ter desencadeado tais bolhas.

No entanto, quando o Universo estava muito quente, embora houvesse energia disponível para ajudar a formar bolhas de Higgs, efeitos térmicos também estabilizaram o Higgs modificando suas propriedades quânticas. Portanto, esse calor não poderia desencadear o fim do Universo, provavelmente por isso ainda estamos aqui.

Buracos negros primordiais

No entanto, na nossa nova investigação, mostrámos que existe uma fonte de calor que causaria constantemente esse tipo de bolhas (sem os efeitos térmicos estabilizadores observados 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 colapsam, 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 inflaçãosugerindo que o Universo explodiu enormemente após o Big Bang.

No entanto, provar esta existência traz uma grande ressalva: Stephen Hawking demonstrou na década de 1970 que, devido à mecânica quântica, os buracos negros evaporam lentamente, emitindo radiação através do seu horizonte de eventos (um ponto em que 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. Isto significa que os 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 milhares de milhões de gramas se formassem no Universo primordial (10 mil milhões de vezes mais pequenos que a massa da Lua), como sugerem muitos modelos, já teriam evaporado.

No presença do campo de Higgstais objetos se comportariam como impurezas em uma bebida gasosa – ajudando o líquido a formar bolhas de gás, contribuindo para a sua energia através 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 que o Universo circundante, mas ainda mais frios que a temperatura típica de Hawking. O que mostrámos, utilizando uma combinação de cálculos analíticos e simulações numéricas, é que, devido à existência destes pontos quentes, eles causariam constantemente bolhas no campo de Higgs.

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 a sua existência.

Isso, claro, a menos que descubramos alguma evidência de sua existência passada em radiações antigas ou ondas gravitacionais. Se o fizermos, 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. Na verdade, podem ser partículas ou forças totalmente novas.

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

Lucien HeurtierPesquisador Associado de Pós-Doutorado, King's College Londres

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.