Francis en #rosavientos: Por qué dice Hawking que el Higgs podría destruir el universo

Dibujo20140914 Stephen Hawking - Santa Cruz Tenerife - 13 sep 2014 - EFE NACIMA20140913 0004 6

Ya puedes escuchar el audio del podcast mi sección Eureka en el programa de radio La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, algunos enlaces y algunas figuras.

El famoso físico británico Stephen Hawking ya ha llegado a España, a las Islas Canarias, para participar en la segunda edición del Festival Starmus. Como ya es habitual en Hawking, nos brinda una nueva boutade: la partícula de Higgs podría destruir el universo. ¿Qué quiere decir Hawking con estas palabras? Hawking ha realizado esta afirmación en el prefacio del libro “Starmus, 50 years of man in space” que recoge las conferencias de la primera edición del Festival Starmus, que se celebró en junio de 2011 y que contó con invitados de excepción como los astronautas Neil Armstrong y Buzz Aldrin, o el guitarrista del grupo Queen Brian May. El Festival Starmus es un encuentro de divulgación científica, centrado en la astrofísica y la astronomía, impulsado por Garik Israelian, astrofísico armenio-español del Instituto de Astrofísica de Canarias, con el patrocinio del Gobierno de Canarias y del Cabildo de Tenerife. Hawking ha escrito en el prefacio de este libro que si un bosón de Higgs alcanzara una energía de cien mil millones de veces la masa de un protón podría provocar un colapso del espacio y del tiempo que destruiría todo el universo. Con cierto sarcasmo Hawking dice en el prefacio de este libro que un colisionador de partículas capaz de alcanzar esta energía debería ser más grande que la propia Tierra, con lo que es muy improbable que sea financiado con el “clima” económico actual.

Para más información en español puedes leer Alberto Casas, “No hay nada que temer,” El Mundo, 9 Sep 2014; “Stephen Hawking: el bosón de Higgs podría destruir el Universo,” ABC, Ciencia, 9 Sep 2014; “Stephen Hawking: ‘Ahora mismo no sé aún por qué existe el Universo’,” El Mundo, Ciencia, 13 Sep 2014.

Hay muchas explicaciones en inglés, recomiendo Don Lincoln, “What Hawking really meant,” Symmetry Magazine, 11 Sep 2014; Matt Strassler, “Will the Higgs Boson Destroy the Universe???,” Of Particular Significance, 10 Sep 2014; Kelly Dickerson, “Stephen Hawking Says ‘God Particle’ Could Wipe Out the Universe,” Live Science, 8 Sep 2014; Roxanne Palmer, “Will The Higgs Boson Destroy The Universe In A Cosmic Death Bubble?,” World Science Festival, 8 Sep 2014.

En este blog también puedes leer “La estabilidad del vacío del modelo estándar,” LCMF, 13 Sep 2013; “El bosón de Higgs y el destino final del Modelo Estándar de la física de partículas,” LCMF, o4 Ago 2009; “Por qué el bosón de Higgs es una pieza fundamental en el modelo estándar,” LCMF, 10 Jul 2012.

Dibujo20140914 metastable - stable - two-well potential

No podemos construir un colisionador de partículas con tanta energía, pero en el universo existen fenómenos muy violentos que producen enormes cantidades de energía, como explosiones de supernovas. ¿Podría alguno de estos fenómenos provocar que la partícula de Higgs destruyera el universo? No, por fortuna es extremadamente improbable. El universo ha existido durante los últimos 13.800 millones de años sin que ningún fenómeno astrofísico extremadamente violento haya sido capaz de destruirlo. Todo indica que el universo está a salvo y lo seguirá estando durante los próximos cientos de miles de millones de años. Lo que Hawking ha querido recordar con su frase es que el vacío del campo de Higgs es metaestable. Metaestable quiere decir que es estable pero se puede desestabilizar. Imaginemos un taburete en la barra de un bar. Si nos sentamos en el taburete estamos en un estado estable, pero no tan estable como si estuviéramos sentados en el suelo. Por ejemplo, si echamos el cuerpo hacia atrás acabaremos cayendo al suelo. El suelo es más estable que el taburete, que es metaestable, siendo estable podemos alcanzar un estado más estable si nos caemos al suelo. El vacío del campo de Higgs, como el taburete, es metaestable y aportando mucha energía podría transitar a un estado más estable que destruiría el universo actual.

Dibujo20140914 higgs Meta-stability - top quark

Lo que todos nos preguntamos es ¿cómo puede el Higgs destruir el universo y sin embargo otras partículas no pueden hacerlo? Hay una gran diferencia entre el campo de Higgs y el campo de las demás partículas fundamentales conocidas. Todos los campos tienen un solo estado de vacío, sin embargo, el campo de Higgs tiene dos estados de vacío diferentes. Uno a alta energía llamado falso vacío y otro a baja energía llamado vacío “verdadero”. El universo ahora mismo se encuentra en el vacío verdadero del campo de Higgs. Las teorías físicas actuales afirman que es extremadamente improbable, pero que no es imposible que el campo de Higgs sufra una transición de fase y pase al estado de falso vacío. En dicho caso se produciría en el espaciotiempo un fenómeno parecido a lo que le pasa al agua cuando hierve, se producirían burbujas. Estas burbujas tendrían falso vacío en su interior y vacío verdadero en su exterior. El tamaño de las burbujas crecería a la velocidad de la luz y se formaría una especie de espuma de falso vacío que destruiría todo el universo conocido. Sin embargo, la mayoría de los físicos no estamos preocupados por esta cuestión pues consideramos que es una indicación de que existe nueva física, nuevas partículas aún por descubrir, que estabilizarán el vacío del campo de Higgs.

Dibujo20140914 SUSY diagram Particle Fever

En tu opinión, ¿se encontrarán nuevas partículas en las colisiones del LHC que se reiniciarán el año próximo? Hay algo importante que me gustaría recordar. Los cálculos que predicen que el vacío del campo de Higgs es metaestable asumen la hipótesis de que no existe nueva física desde las energías que se alcanzan en las colisiones del LHC, unas diez mil veces la masa del protón, hasta la energía de Planck, unos dos trillones de veces la masa del protón. La mayoría de los físicos creemos que en doce órdenes de magnitud en energía debe haber nuevas partículas y nuevas interacciones aún por descubrir. La física actual presenta muchas incógnitas, como el problema de la materia oscura o el problema de la energía oscura. La mayoría de las respuestas que se barajan en la actualidad, como la supersimetría, incorporan mecanismos que vuelven estable el vacío del campo de Higgs y salvan al universo de su propia destrucción. Yo no sé si el LHC encontrará nuevas partículas en los próximos años, pero lo que tengo muy claro es que el vacío metaestable del campo de Higgs es una señal, como muchas otras, de que aún nos queda mucha por física fundamental por descubrir en el siglo XXI.

Dibujo20140914 running lambda higgs as function of energy

¿Cómo sabemos que el campo de Higgs es metaestable? En la teoría que explica la física de las partículas, llamada modelo estándar, parámetros como la masa o los acoplos entre campos dependen de la energía (“corren” con la energía). Esta dependencia se calcula con una herramienta matemática llamada grupo de renormalización. La masa de todas las partículas depende del acoplo con el campo de Higgs y cambia con la energía (por ejemplo, la masa del electrón crece con la energía y la de los quarks decrece con la energía). La masa del bosón de Higgs depende del autoacoplo del campo de Higgs. El parámetro de autoacoplo es positivo y decae con la energía (vale 0,23 a energía cero y unos 0,13 a unos 125 GeV). A la energía a la que el autoacoplo se vuelve negativo el vacío del campo de Higgs se vuelve inestable. Si esta energía fuera mayor que la energía de Planck (a la que el modelo estándar deja de ser válido y se necesita una teoría cuántica de la gravedad, es decir, del propio espaciotiempo) el vacío del campo de Higgs sería estable. Con los valores actuales de la masa del Higgs y la del quark top (la partícula con mayor masa conocida), el autoacoplo se vuelve negativo a una energía de cien mil millones de veces la masa del protón, por ello el campo es metaestable. Me gustaría destacar que hay bastante incertidumbre en la masa del quark top y que, por supuesto, si existe nueva física más allá del modelo estándar, habría que introducir correcciones a estos cálculos. La mayoría de las propuestas actuales logran estabilizar el campo de Higgs.

Dibujo20140914 instantons coleman-deluccia hawking-moss

¿Por qué Hawking ha sacado el tema del Higgs y de la destrucción del universo en este momento? Gracias a la observación de modos B en la polarización del fondo cósmico de microondas, 2014 está siendo el año de la inflación cósmica. El campo inflatón es un campo escalar como el Higgs. A principios de los ochenta varios físicos estudiaron la estabilidad de los campos escalares que tienen más de un vacío. Por efecto túnel cuántico puede ocurrir una transición entre estos vacíos. A las soluciones matemáticas que describen este fenómeno se les llama instantones. Los más famosos son los de Coleman–De Luccia (1980) y de Hawking–Moss (1983). Quizás Hawking ha recordado este año su trabajo con Ian G. Moss y con objeto de reivindicarlo ha lanzado su nueva boutade.

Coda final. Para los físicos interesados estos trabajos son S. R. Coleman, F. De Luccia, “Gravitational Effects on and of Vacuum Decay,” Phys. Rev. D 21: 3305 (1980) [PDF gratis], y S. W. Hawking, I. G. Moss, “Fluctuations in the Inflationary Universe,” Nucl. Phys. B 224: 180 (1983).


7 Comentarios

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JulioJulio

Hola Francis,

¿No puede ocurrir que en alguna región del espacio haya ocurrido ya la transición a falso vacío? Dices qué “las burbujas” crecerían a la velocidad de la luz, y si ha ocurrido ya hace cientos de años a los luz de distancia? ¿O el universo colapsaría y se destruiría en un instante? Otra pregunta por el entrelaza miento cuántico si ocurre el paso a falso vacío ocurriría en más regiones a la vez no?
Persona la inocencia de mis preguntas solo soy un aficionado a la física de partículas :)

Julio.

GabrielGabriel

Si que es verdad que podria haber pasado más allá de nuestro universo observable.
Pero estamos entrando en física-ficción/pseudociencia.

GalernaGalerna

Disculpa Francis, y por que no asignar esta segunda lectura a la entrada y los comentarios suscitados acerca de especular sobre el origen o mejor inicio del universo de un cambio de estado de estable a meta estable, razón por la cual Hawking alega cuestionarse sobre el mismo origen del universo en estas sus últimas declaraciones.
Gracias anticipadas por tu paciencia con mi intervención. Estás en todo tu derecho a borrarla, lo que no quita para que te envie un cordial saludo.

U-95U-95

Como se menciona en el artículo Coleman y De Luccia ya estudiaron en los 80 los efectos de una transición de fase a un vacío auténtico y eran los mismos que los de trastear con el bosón de Higgs: burbuja de vacío auténtico expandiéndose a la velocidad de la luz imposible de ver por eso -y, al menos dentro de lo malo, sin que uno pudiera sentir como es destruido- hasta que fagocitara todo el Universo y sin posibilidades de que puedan surgir estructuras capaces de sentir alegría. Si alguien tiene la tecnología suficiente para desarrollar ese masivo acelerador cabe suponer que ya supiera lo que podría pasar y haya preparado defensas.

De todas maneras si en los momentos iniciales del Universo cuando las cosas eran mucho peores que en cualquier acelerador de partículas imaginable no pasó nada debería indicar que hay un “seguro” en la forma de nueva física por descubrir como se comenta.

GerardoGerardo

Pues yo tenia entendido que era al reves: el campo crea la particula, primero existe el campo y una perturbacion del mismo crea la particula. wikipedia

No veo por que te resulta dificil que el Higgs se otorge masa a si mismo, es como dudar que el electron pueda “darse” carga negativa, de hecho, es por ese motivo (se da masa a si mismo) que el higgs tiene esa particularidad que no tienen las demás particulas de tener dos estados estables (el estable y el metaestable), ya que la ecuación del higgs es “retroalimentada”

Y sobre como puede el higgs darle masa a otras particulas se entiende mas facilmente (creo yo) si en vez de imaginarte al higgs como una particula, te lo imaginas como un campo que cubre todo el universo, no importa donde esten las particulas, el higgs les da masa

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