El cálculo más robusto de la metaestabilidad del vacío del modelo estándar

Dibujo20171201 vaccum stability top-higgs plane arXiv 1707 09301 PRL 211801

El vacío del modelo estándar es metaestable. En un futuro muy, muy lejano el Universo volverá a su estado de falso vacío primordial. Todo será destruido. Todo. ¿Cuándo ocurrirá este desastre cósmico en el Universo visible? Dentro de, como muy pronto, 10280 años, según la estimación más reciente que se publica en Physical Review Letters. Otra estimación reciente (menos robusta) apuntaba a, como muy pronto, 1058 años. Sí, has leído bien, el universo es tan estable que es casi imposible imaginar cuándo dejará de serlo. Así que tranquilo, en la práctica es como si fuera eterno.

Recuerda que el Universo visible tiene unos 1,38 × 1010 años (13,8 Gyr) y un volumen de unos 1,22 × 104 Gpc3. Como muestra la figura, con las estimaciones actuales para la masa del quark top y del bosón de Higgs la probabilidad de transición del vacío a falso vacío según el nuevo artículo tiene un valor medio de 10−554 Gyr−1Gpc−3, siendo el intervalo de incertidumbre (debido sobre todo a la masa del quark top) de entre 10−284 y 10−1371 Gyr−1Gpc−3. Una probabilidad tan extremadamente baja que cuesta mucho imaginarla.

Por tanto, si estas entre los lectores de este blog que tenía miedo de que esta inestabilidad estuviera ocurriendo ahora mismo en algún lugar del universo observable, puedes estar tranquilo. Según la nueva estimación es imposible, casi incocebible. El artículo es So Chigusa, Takeo Moroi, Yutaro Shoji, “State-of-the-Art Calculation of the Decay Rate of Electroweak Vacuum in Standard Model,” Phys. Rev. Lett. 119: 211801 (2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.119.211801, arXiv:1707.09301 [hep-ph]. La otra estimación reciente es Anders Andreassen, William Frost, Matthew D. Schwartz, “Scale Invariant Instantons and the Complete Lifetime of the Standard Model,” arXiv:1707.08124 [hep-ph].

[PS 06 Dic 2017] Recomiendo el podcast (05:41) de Alberto Aparici, “La Brújula de la Ciencia s07e16: El vacío, un estado físico que puede desintegrarse,” iVoox, 01 Dic 2017. [/PS]

Dibujo20171201 vaccum stability top-higgs plane arxiv 1707 08124

¿Cuál es la diferencia entre el nuevo cálculo publicado en Physical Review Letters y los cálculos previos? El nuevo cálculo es invariante gauge, mientras los previos fijan un gauge concreto para facilitar los cálculos. Aunque pueda parecer que cambiar la cota mínima de 1058 años a 10280 años es un gran cambio, en la práctica la diferencia es pequeña. Las incertidumbres en la masa del quark top y del bosón de Higgs son muy grandes. Pequeños cambios en sus valores pueden cambiar estas estimaciones en muchos órdenes de magnitud (tanto hacia arriba como hacia abajo). Por cierto, habrá que esperar al HL-LHC para una reducción significativa de la incertidumbre en la masa del quark top, luego hasta 2030 no conoceremos este asunto con mayor precisión.

¿Son fiables estos cálculos invariantes gauge? El cálculo se basa en extrapolar el modelo estándar hasta energías en la escala de Planck; como no sabemos si hay nueva física (nuevas partículas o nuevas interacciones), estos cálculos hay que cogerlos con alfileres. Pequeñas adiciones al modelo estándar pueden alterar mucho el escenario, volviendo el vacío estable (eterno) o casi inestable (reduciendo su vida en muchos órdenes de magnitud). Por supuesto, el universo no puede ser inestable, pues entonces no existiríamos nosotros.

Dibujo20140914 running lambda higgs as function of energy

Por cierto, ¿por qué es metaestable el vacío del Higgs? Todos los parámetros de acoplamiento del modelo estándar cambian con la energía. El parámetro de acoplamiento del campo de Higgs consigo mismo (llamada λ) tiene un valor positivo que decrece conforme crece la energía; dicho parámetro se vuelve negativo antes de alcanzar la escala de energía de Planck. El nuevo artículo no presenta una figura específica, así que te incluyo aquí la que aparece en mi entrada “Por qué dice Hawking que el Higgs podría destruir el universo”, LCMF, 14 Sep 2014. La nueva figura será bastante similar, aunque quizás con algo menos de incertidumbre experimental.


4 Comentarios

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LuisLuis

No acabo de entender por qué se le dan unidades a una probabilidad. ¿Podrías explicar por qué se da en unidades de inversa de tiempo x volumen?
Alucino con las cifras, jamás pensé que se pudieran dar esos órdenes de magnitud en física.
Muy interesante.

pepepepe

¿Y si el universo fuese infinito en extensión? Porque todo lo que pudiese ocurrir, ocurriría infinitas veces por improbable que fuese.

Francisco R. Villatoro

Pepe, el infinito no tiene cabida en la física actual. Pero, en su caso, habría infinitos “universos” (cada uno con su horizonte cósmico propio) e infinitos de ellos estarían en estado de falso vacío (sin que los demás tuvieran constancia de ello).

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