Частинки Хіггса та крихітні чорні діри могли знищити наш Всесвіт

Хоча наш Всесвіт може здаватися стабільним, адже він існує вже 13,7 мільярда років, кілька експериментів показують, що він знаходиться в зоні ризику — ходить по краю дуже небезпечної прірви. І все через нестабільність однієї фундаментальної частинки: бозона Хіггса.

У новому дослідженні, яке ми з колегами щойно прийняли до публікації у Physical Letters B, ми показуємо, що деякі моделі раннього Всесвіту, які включають об’єкти, що називаються легкими первинними чорними дірами, навряд чи є правильними, оскільки вони б уже спричинили появу бозона Хіггса, який би поклав край космосу.

Бозон Хіггса відповідає за масу та взаємодію всіх відомих нам частинок. Це тому, що маса частинок є наслідком взаємодії елементарних частинок з полем, яке називають полем Хіггса. Оскільки бозон Хіггса існує, ми знаємо, що поле існує.

Можна уявити це поле як абсолютно нерухому водяну ванну, в яку ми занурюємося. Воно має однакові властивості у всьому Всесвіті. Це означає, що ми спостерігаємо однакові маси та взаємодії в усьому космосі. Ця однорідність дозволила нам спостерігати і описувати ту саму фізику протягом кількох тисячоліть (астрономи зазвичай дивляться назад у часі).

Але поле Хіггса навряд чи перебуває в найнижчому можливому енергетичному стані, в якому воно може бути. Це означає, що теоретично воно може змінити свій стан, опустившись до нижчого енергетичного стану в певному місці. Однак, якби це сталося, це б кардинально змінило закони фізики.

Така зміна представляла б те, що фізики називають фазовим переходом. Це те, що відбувається, коли вода перетворюється на пару, утворюючи при цьому бульбашки. Фазовий перехід у полі Хіггса аналогічно створив би низькоенергетичні бульбашки простору з абсолютно іншою фізикою.

У такій бульбашці раптово змінилася б маса електронів, а також їхня взаємодія з іншими частинками. Протони і нейтрони — які складають атомне ядро і складаються з кварків — раптово змістилися б. По суті, будь-хто, хто відчув би таку зміну, швидше за все, вже не зміг би про неї повідомити.

Постійний ризик
Нещодавні вимірювання мас частинок на Великому адронному колайдері (ВАК) в ЦЕРНі свідчать про те, що така подія може бути можливою. Але не варто панікувати: це може статися лише через кілька тисяч мільярдів мільярдів років після того, як ми підемо на пенсію. З цієї причини в коридорах кафедр фізики елементарних частинок зазвичай кажуть, що Всесвіт не нестабільний, а скоріше «метастабільний», адже кінець світу не станеться найближчим часом.

Щоб утворити бульбашку, полю Хіггса потрібна вагома причина. Завдяки квантовій механіці, теорії, яка керує мікросвітом атомів і частинок, енергія бозона Хіггса завжди коливається. І статистично можливо (хоча й малоймовірно, саме тому це займає так багато часу), що час від часу бозон Хіггса утворює бульбашку.

Однак за наявності зовнішніх джерел енергії, таких як сильні гравітаційні поля або гаряча плазма (форма матерії, що складається із заряджених частинок), історія змінюється: поле може запозичити цю енергію, щоб легше утворювати бульбашки.

Тому, хоча немає підстав очікувати, що сьогодні поле Хіггса утворює численні бульбашки, велике питання в контексті космології полягає в тому, чи могли екстремальні умови невдовзі після Великого вибуху спровокувати таке утворення бульбашок.

Однак, коли Всесвіт був дуже гарячим, хоча енергія була доступною для утворення бульбашок Хіггса, теплові ефекти також стабілізували бозон Хіггса, змінюючи його квантові властивості. Тому це тепло не могло спричинити кінець Всесвіту, і, ймовірно, саме тому ми все ще тут.

Первісні чорні діри

У нашому новому дослідженні ми показали, що існує одне джерело тепла, яке постійно спричиняє таке бурління (без стабілізуючих теплових ефектів, які спостерігалися в перші дні після Великого вибуху). Це первісні чорні діри, тип чорних дір, які виникли в ранньому Всесвіті внаслідок колапсу надто щільних областей простору-часу.

На відміну від звичайних чорних дір, які утворюються при колапсі зірок, первинні чорні діри можуть бути крихітними — легшими за грам.

Існування таких легких чорних дір передбачається багатьма теоретичними моделями, які описують еволюцію космосу невдовзі після Великого вибуху. Сюди входять деякі моделі інфляції, які припускають, що після Великого вибуху Всесвіт вибухнув до величезних розмірів.

Однак доведення цього існування супроводжується великим застереженням: Стівен Гокінг продемонстрував у 1970-х роках, що через квантову механіку чорні діри повільно випаровуються, випромінюючи випромінювання через свій горизонт подій (точка, з якої не може вийти навіть світло).

Гокінг показав, що чорні діри поводяться як джерела тепла у Всесвіті, з температурою, обернено пропорційною їхній масі. Це означає, що легкі чорні діри набагато гарячіші і випаровуються швидше, ніж масивні.

Зокрема, якби в ранньому Всесвіті утворилися первісні чорні діри легші за кілька тисяч мільярдів грамів (у 10 мільярдів разів менші за масу Місяця), як припускають багато моделей, вони б уже давно випарувалися.

За наявності поля Хіггса такі об’єкти поводилися б як домішки в шипучому напої — допомагали б рідині утворювати бульбашки газу, додаючи їй енергії за рахунок ефекту гравітації (завдяки масі чорної діри) та температури навколишнього середовища (завдяки її випромінюванню Гокінга).

Коли первісні чорні діри випаровуються, вони локально нагрівають Всесвіт. Вони еволюціонували б посеред гарячих точок, які могли б бути набагато гарячішими, ніж навколишній Всесвіт, але все ще холоднішими, ніж їхня типова температура Гокінґа. Ми показали, використовуючи комбінацію аналітичних розрахунків і чисельного моделювання, що через існування цих гарячих точок вони постійно спричиняли б розбурхування поля Гіґґса.

Але ми все ще тут. Це означає, що такі об’єкти навряд чи коли-небудь існували. Фактично, ми повинні виключити всі космологічні сценарії, які передбачають їхнє існування.

Звісно, якщо ми не знайдемо доказів їхнього минулого існування у давньому випромінюванні чи гравітаційних хвилях. Якщо ми це зробимо, це може бути ще більш захоплююче. Це означатиме, що є щось, чого ми не знаємо про бозон Хіггса; щось, що захищає його від утворення бульбашок у присутності первинних чорних дір, що випаровуються. Насправді це можуть бути абсолютно нові частинки або сили.

Так чи інакше, очевидно, що нам ще багато чого належить відкрити про Всесвіт у найменших і найбільших масштабах.