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El Higgs sugiere un universo metaestable

Área: Física — lunes, 8 de abril de 2013

Según algunos estudios un Higgs de 126 GeV/c2 daría lugar a un universo metaestable.

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Potencial del Higgs. Fuente: UC Irvine.

Los últimos resultados publicados por el CERN parecen confirmar la existencia del bosón de Higgs, cuyo descubrimiento se anunció hace unos meses. El Higgs descubierto tiene una masa de 126 GeV/c2. Sin embargo, no se descarta que existan otros bosones de Higgs más pesados. Incluso a la energía a la que ha operado el LHC se podrían crear esas versiones más pesadas del Higgs, pero la estadística no es buena de momento. Una vez se actualice este acelerador y opere a mayor energía quizás se puedan descubrir esas partículas, o no.
Como ya todos sabemos, el Higgs permite dotar de masa al resto de las partículas dependiendo de lo fuerte que sea su interacción. Así por ejemplo, los fotones no interaccionan con el Higgs y por eso no tienen masa. Sin embargo un protón (o los quarks que lo constituyen) lo hace fuertemente y por eso es pesado. Para ello no hace falta que el Higgs tenga un consciencia real, sino virtual. En la Teoría Cuántica de Campos las fuerzas aparecen debido al intercambio de partículas virtuales, partículas que aparecen y desaparecen constantemente en el vacío. De este modo, si frotamos un plástico y con el atraemos unos papelitos, la fuerza electromagnética que aparece y atrae esos papelitos está formada por fotones virtuales. La fuerza fuerte que mantiene la cohesión nuclear se basa en el intercambio de gluones y así para el resto de las otras fuerzas. Cada fuerza está mediada por su propio bosón (partículas de spin entero). El vacío está lleno de partículas virtuales y un campo no es más que una alteración de ese mar de partículas virtuales.
Pero si queremos manifestar esas partículas y que tomen consistencia real no queda más remedio que poner energía hasta alcanzar la masa-energía necesaria. Para el caso el Higgs 126 GeV/c2, es decir el equivalente a 126 protones, más o menos.
El vacío cuántico es una cosa curiosa, como acabamos de ver. Parece que la realidad huye de la nada y siempre manifiesta algo, incluso en el vacío. Podemos despojar la espacio de toda materia y, sin embargo, contendrá todo tipo da partículas virtuales que le dotaran de sus propiedades. Incluso si consideramos uuna teoría cuántica de la gravedad se puede concebir un vacío en el que no haya ni espacio ni tiempo y que se pueda generarlos mediante algún mecanismo en un Big Bang. La idea de la nada, o más bien de vacío, evoluciona según vamos adquiriendo conocimientos.
El gran problema de las cuerdas es la gran cantidad de estados de vacío (vacua) que proponen (unos 10500), por lo que su capacidad de predicción es casi nula.
Nuestro universo puede estar en un determinado estado de vacío que posea una determinada energía potencial. El asunto de la energía potencial es un asunto curioso, pues siempre es relativa y puede no tener fondo. De este modo, el Universo puede pasar de un estado de vacío a otro en el que la energía potencial sea más baja. Se han propuesto este tipo de transiciones para explicar la inflación e incluso una suerte de procesos de inflación que se dan eternamente.
Lo ideal es que un universo caiga a un estado de energía potencial que sea un mínimo local. En ese caso ese universo será estable, a no ser que consiga suficiente energía como para saltar la barrera de energía potencial y que se deslice hasta otro mínimo. En el caso de haber un mínimo absoluto ya no habría más transiciones de este tipo.
Ahora que parece que ya tenemos confirmado al Higgs (o al menos a uno de ellos) se puede especular sobre cómo afecta al asunto de los estados de energía potencial del Universo.
Joseph Lykken, del Fermilab National Accelerator Laboratory, dice que si usamos la Física conocida para realizar cálculos, el resultado es que el Universo en el que vivimos es inherentemente inestable.
Según Lykken el vacío en el que se asienta nuestro Universo podría no corresponder a un mínimo, al fondo de un valle de esa energía potencial. Si fuera al contrario, el valor del potencial de Higgs estaría en el punto más bajo de ese valle de energía.
La forma del potencial de Higgs viene determinada por la masa del Higgs. Matthew Strassler (Rutgers University) dice que los 126 GeV/c2 del Higgs recientemente descubierto implican que el Universo no está en un estado tal que ocupe el punto más bajo posible de energía, sino en un lugar inusual: un mínimo local. El valle de energía en el que se encontraría estaría a una altura mayor que el valle adyacente y separado de él por una colina (barrera de energía). Si de algún modo el Universo se las apañara para cruzar esa barrera de energía entonces caería hacia ese otro valle y se liberaría mucha energía.
En Mecánica clásica esto no supone ningún problema, pues se necesitaría energía que no hay para subir esa barrera de energía y el Universo estaría a salvo. Pero en Mecánica Cuántica existe lo que se llama el “efecto túnel”. Según este efecto (medible fácilmente en el laboratorio) existe una probabilidad no nula de que una partícula cruce ese tipo de barrera de potencial. Esa probabilidad será mayor cuando más estrecha y baja sea la barrera. Si se espera el tiempo suficiente al final siempre terminará cruzando. El proceso es básicamente aleatorio e impredecible.
Pero al igual que una partícula solitaria en el laboratorio el Universo en su conjunto podría cruzar la barrera de potencial que el separa del estado de vacío vecino con una energía potencial más baja, así que podemos decir que el Universo podría ser meta-estable.
Si eso ocurriera las consecuencias serían catastróficas y toda la vida del Universo desaparecería.
Puede ocurrir mañana mismo, al tratarse de un proceso aleatorio, pero los cálculos realizados indican que en promedio habría que esperar mucho más tiempo que la edad actual del Universo.
Esto también proporciona escenarios en los que el Universo se “reinicia” y se rellena de nuevo de materia-energía. Así por ejemplo, se han propuesto un modelo en el que un universo cíclico alteraría fases de contracción y expansión que sería consistente con esa meta-estabilidad sugerida con la observada masa del Higgs.
Pero todo depende de lo que no sabemos. En los cálculos sólo se tiene en cuenta lo conocido. Si aparecen otros Higgs el panorama puede cambiar y el Universo puede resultar más estable. Además puede que dicha estabilidad dependa de otras partículas como el quark top, con sus 180 GeV/c2 de masa. Algunos físicos sugieren que finalmente el Universo podría ser totalmente estable y descansar en un buen mínimo de energía.
O puede que todo dependa del tiempo que transcurra. Quizás en trillones de años, cuando esté disuelto en la nada, el Universo tenga una segunda oportunidad y vuelva a florecer a través de una transición de este tipo. Mientras tanto no hay que preocuparse por un posible cataclismo universal.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4075

Fuentes y referencias:
Nota en Scientific American.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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10 Comentarios

  1. tomás:

    ¿Qué significado damos a “metaestable”?
    Sea cual fuere, me tranquiliza que no haya que “preocuparse por un posible cataclismo universal”.

  2. Dr. Thriller:

    Lo de metaestable tiene delito. En física, un estado metaestable es aquel que está donde no debe, es decir, que debería evolucionar hacia otro estado debido a sus características y entorno, pero que no lo hace por las razones que fueran, y que suelen estar en precario en el sentido de que ínfimas perturbaciones precipitan esa evolución “congelada”. Si el sistema es enormemente dinámico (como sería el caso del Universo, o la mente humana, o los procesos sociológicos humanos bajo el nombre de “sistema de acumulación de capital”, que ha resultado ser un sistema muy sólido hasta que ha tropezado con sus propios límites, cosa que siempre pone firme a lo que sea), la cosa cambia algo, porque esa dinamicidad puede hacerlo incluso más estable que uno “estático” (casi se podría decir, “inanimado”, porque en realidad todos dependen de sus propiedades intrínsecas y de sus entornos), así que yo diría que el término, que me parece inapropiado desde su primer uso, se está convirtiendo en un comodín.

    Por cierto, el entorno del Universo seguimos sin saber cuál es (si es que lo hay), con lo que en rigor, al menos al Universo como un todo, no pueden serle aplicables nuestras leyes, reglas, hipótesis, modelos, paradigmas, prejuicios, creencias y demás sistemas mentales para mantener nuestra propia metaestabilidad xD.

  3. Miguel Ángel:

    Amigo Dr.Thriller:

    Leyendo tu último párrafo veo que, hábilmente, has evitado incurrir en ese “mandamiento” de la Física que dice algo así como “no mencionaras el nombre de Gödel en vano”.

    Recibe un gran abrazo y mi reconocimiento, tus comentarios despiertan considerablemente mi minúsculo intelecto.

  4. tomás:

    Querido Miguel Ángel:
    También a mi me trae de cabeza Dr. Thriller que yo creo se ha adjudicado el nombrecito por la emoción y la intriga que produce. Me parece que alguna vez se lo dije.
    De todas formas, al resaltar su habilidad has incurrido en pecado manifiesto. Que “el” te perdone como yo te valoro.
    Un fuerte abrazo.

  5. tomás:

    Amigo Dr. Thriller:
    Gracias por responder a mi pregunta. El único problema es que el artículo no parece servir al concepto que me trasladas. Mucho menos si me voy a los significados clásicos y más cercanos del prefijo meta-. Eso no te resta razón en absoluto, pero no logro meter en el artículo lo que me dices… ya sabes con el conocido lema de “sustituir lo definido por la definición”.
    Recibe mi agradecimiento.

  6. LLuís:

    En referencia a las interacciones fuertes tengo una duda (o muchas),pero la que me interesa es la que voy a señalar. Si el cuanto del campo electromagnético (o interacción electromagnética) es el fotón, ¿cual es el cuanto del campo las fuerzas nucleares?. Se sabe que el pión desempeña un rol esencial en los fenómenos que los que se dan interacciones fuertes.Pero, ¿se puede decir que el pión es el cuanto del campo de las fuerzas nucleares?.

  7. Atanasio:

    “Los últimos resultados publicados por el CERN parecen confirmar la existencia del bosón de Higgs, cuyo descubrimiento se anunció hace unos meses.” ¿”Parecen confirmar”? ¿Qué tanto “parecen confirmar”? ¿Sabéis algo de eso en firme?

  8. NeoFronteras:

    El resultado oficial ya está en 5 sigmas de significación estadística:

    http://arxiv.org/abs/1303.4571

    Estudios no oficiales combinando varios resultados indican que se trata del Higgs del Modelo Estándar:

    http://arxiv.org/abs/1303.1812

  9. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Según el modelo actual son los gluones los responsables de la fuerza fuerte y, por tanto, también de mantener los núcleos. El uso de los piones constituyó un modelo que funcionó en el pasado.
    Es el problema epistemológico de siempre. Quizás en el futuro se crea que es distinto y que no hay gluones ni quarks ni nada de lo que asumimos como cierto ahora. Pero mientras tanto todo funciona.

  10. Fabián Núñez Baquero:

    Lo que resta de vida al universo es mucho más que su edad actual. Si tomamos en cuenta que la edad comprobada del universo es de 13.820 millones de años, entonces podemos dormir tranquilos nosotros y millones de millones de generaciones de nuestros sucesores, si es que antes no acabamos con nuestro propio planeta. El corazón del Cosmos es tan “inestable” como las contracciones y expansiones del corazón de un niño. Y el vacío no existe, no hay lugar para él porque siempre se está creando materia aunque esta conste de partículas y micropartículas en interacción.

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