El universo podría ser más estable de lo que se pensaba

Por Francisco R. Villatoro, el 11 noviembre, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 22

Dibujo20151111 ground state universe depends potential higgs field aps physics

Los valores actuales de la masa del bosón de Higgs y del quark top apuntan a que el universo no es estable, aunque es metaestable. Se publica en Physical Review Letters el cálculo más preciso de la estabilidad del modelo estándar que confirma que es metaestable, pero destaca que la masa del quark top está a solo 1,3 sigmas del valor crítico para la estabilidad. Con gran probabilidad el universo podría ser estable incluso sin necesidad de la existencia de nueva física.

Así lo confirman simulaciones de Montecarlo que tienen en cuenta la incertidumbre de todos los parámetros del modelo estándar. Un resultado sorprendente para muchos físicos ya acostumbrados a la metaestabilidad como señal de que hay algo más allá del modelo estándar. El nuevo trabajo apunta a que un conocimiento más preciso de la masa del bosón de Higgs, de la masa del quark top y de la constante de acoplamiento fuerte podría estabilizar el modelo estándar hasta la escala de energía de Planck. Quizás no solo el universo descrito por el modelo estándar parece estable sino que también lo es.

El artículo es A. V. Bednyakov et al., “Stability of the Electroweak Vacuum: Gauge Independence and Advanced Precision,” Phys. Rev. Lett. 115: 201802, 09 Nov 2015, doi: 10.1103/PhysRevLett.115.201802arXiv:1507.08833 [hep-ph]; más información divulgativa en Alexander Kusenko, “Viewpoint: Are We on the Brink of the Higgs Abyss?,” Physics 8: 108, 09 Nov 2015.

Recomiendo leer “Sobre la estabilidad de nuestro universo,” LCMF, 25 Jul 2015, y “La estabilidad del vacío del modelo estándar,” LCMF, 13 Sep 2012.

Dibujo20151111 Phase diagram vacuum stability metastability and instability in MH and Mt contours phys rev lett

El estado del vacío del universo hoy en día corresponde al vacío del modelo estándar a baja energía, que viene determinado por el vacío del campo de Higgs a baja energía. Para estudiar el campo de Higgs a alta energía hay que extrapolar la física del modelo estándar hasta cerca de la escala de Planck; el cálculo no es fácil, requiere usar teoría de perturbaciones a varios lazos (loops) y tener en cuenta la incertidumbre actual de los parámetros del modelo estándar para determinar la evolución del autoacoplamiento del campo de Higgs λ(μ). Bajo estas aproximaciones, hasta ahora, el cálculo sugería que a gran energía se tiene λ(μ)<0, es decir, el vacío del campo de Higgs se vuelve inestable y debe aparecer otro vacío, un vacío verdadero. En dicho caso hoy en día vivimos en un falso vacío.

Los acoplamientos de las interacciones gauge del modelo estándar SU(2)I×U(1)Y×SU(3)c dependen de la escala de renormalización μ, sean g(μ), g'(μ) y gs(μ), resp. El autoacoplamiento del campo de Higgs λ(μ) y los acoplamientos de la interacción de Yukawa con cada fermión, yf(μ) también dependen de μ. La evolución de estos parámetros en función de μ se estudia mediante las ecuaciones del grupo de renormalización que dependen de la llamada función beta, β(μ), asociada a cada campo. Para calcular esta función hay que usar teoría de perturbaciones. El resultado depende del orden perturbativo al que se realicen los cálculos. Pero a mayor orden los cálculos son más difíciles de ejecutar porque el número de diagramas de Feynman a considerar crece exponencialmente con el número de lazos (loops).

Hoy en día se conocen todas las funciones beta hasta tres lazos; solo se conocen a cuatro lazos las asociadas a gs(μ) e yq(μ). En los cálculos no entran las masas de las partículas directamente (medidas como una resonancia a cierta energía en los experimentos) sino su valor en los polos del propagador asociado; estos polos para las masas de las partículas se calculan usando teoría de perturbaciones y solo se conocen hasta dos lazos. Como los diferentes parámetros de las ecuaciones del grupo de renormalización se conocen con un número diferente de lazos hay dos opciones: o bien tomar todos los parámetros al menor número de lazos, o bien aplicar técnicas de ajuste autoconsistente. Esta segunda opción es la elegida por Bednyakov y sus colegas en el nuevo artículo para Physical Review Letters.

Dibujo20151111 RG evolution of lambda for default input values and matching scale phys rev lett

Bednyakov y sus colegas han usado la incertidumbre de los parámetros del modelo estándar determinada por el Particle Data Group (PDG2014) para estudiar mediante métodos de Montecarlo los valores críticos de la masa del quark top para la estabilidad. El resultado es Mcri,t = (171,54 ± 0,30 +0,26 −0,41) GeV que es compatible con la estimación actual de la masa del quark top MMC,t = (173,21 ± 0,87) GeV, ya que difiere en menos de 1,3 sigmas de confianza estadística. Por tanto, el nuevo resultado acerca el modelo estándar a la estabilidad (en física de partículas los efectos a menos de 2 sigmas se consideran irrelevantes). La incertidumbre en los parámetros del modelo estándar tiene un efecto mucho mayor de lo que se pensaba.

Futuros cálculos más precisos y medidas experimentales más precisas de todos los parámetros del modelo estándar tendrán que confirmar la conclusión a la que apunta el nuevo estudio. Pero todo parece que el modelo estándar podría estar justo en el borde entre la estabilidad y la metaestabilidad. Quizás sea válido hasta muy cerca de la energía de Planck (1,22 × 1019 GeV).



22 Comentarios

  1. Buenas,
    para los no físicos, ¿podrías explicar qué significa que el universo sea estable?
    O se me ha escapado o se habla de si lo es o no lo es, pero no de lo que es.

    1. Agubern, que no es inestable. Si el vacío del universo no es el vacío con menor energía posible hay una probabilidad distinta de cero (por fortuna muy pequeña, porque es el universo es metaestable) de que el universo “caiga” del falso vacío actual a un futuro vacío verdadero, destruyendo todo su contenido. La energía de todo el universo se redistribuirá en un nuevo estado sobre el nuevo vacío. Todas las partículas actuales desaparecerán como tales y renacerán en un nuevo estado caótico. Todo lo que hoy existe será destruido. Más info en wikipedia https://es.wikipedia.org/wiki/Cronolog%C3%ADa_del_Big_Bang#Big_Rip

    1. Jose, un lápiz puesto de pie de punta sobre una mesa es inestable (cualquier pequeña perturbación lo hace caer) y un lápiz se sección hexagonal tendido sobre una mesa es estable (hay que aplicar una fuerza para hacerlo rotar o desplazarse sobre la mesa). La estabilidad es un concepto muy básico.

  2. Leyendo los comentarios me queda un poco mas claro, pero… ¿que sería entonces que el universo sea metaestable?.
    Soy lector habitual de naukas, pero reconozco que muchos de los artículos de física se me escapan. Como consejo/petición/crítica constructiva estaria genial que estos artículos estuvieran acompañados de una versión mas entendible para los legos en la materia. Supongo que es complicado y tal vez no sea el primero en indicarlo pero de esta manera creo que cumplirían mejor esa función de divulgación.
    Felicidades igualmente por el post y el trabajo que realizas en naukas.

    Un saludo.

    1. Pako, entre estable e inestable hay estados estables de vida muy larga; estos estados son inestables en un intervalo de tiempo infinito, pero en un intervalo de tiempo finito se comportan como estables. En el caso del universo, si fuera inestable, no existiríamos ninguno de nosotros; para que existamos tiene que mantenerse estable durante un tiempo superior a su vida actual (unos 13.800 millones de años); eso es lo que significa que el universo es metaestable. Depende de los detalles, pero en el caso del vacío del Higgs se supone que es estable durante decenas de miles de millones de años (recuerda que el Universo .

      Pako, en cuanto a la idea de que todos mis posts tienen que estar duplicados en versión para todo el mundo y en versión para los lectores habituales de mi blog, lo siento, no tengo tiempo de hacer una versión para quien solo tiene ESO de letras, otras para los de ESO de ciencias, otra para los que tienen bachillerato, otra para… El público objetivo de mi blog son alumnos de primeros cursos de universidad que tienen acceso a los artículos originales (mi idea es motivarles a profundizar leyendo dichos artículos a los que pueden acceder gracias a su universidad).

  3. Estable: que no es inestable.
    Inestable: que no es estable.
    Metaestable: casi, casi estable. O inestable (depende de donde lo mires)
    Mas claro imposible. No entiendo como no comprenden algo tan básico.

    (la cuota de humor del día)

  4. Francis, hasta ahora había leído que la metaestabilidad atribuida al Universo lo era en tanto en cuanto no existiera física más alla del SM. Y que seguramente, una vez descubierta nueva física, por ejemplo partículas supersimétricas, el vacío actual sería estable.

    Supongo que este estudio debe ser tomado con cautela y esperar cálculos más precisos, como tú dices. Pero si el Universo fuera estable con la configuración de vacío actual, ¿qué significa?¿que no habría física más alla del SM por descubrir? Agradezco si alguien es tan amable en aclarar esto, ya seas tú Francis, Plank o algunos de los habituales. Perdón si mi pregunta no está planteada con claridad o estoy diciendo algo sin sentido.

    SalU2

    1. Sagutxo tu pregunta es muy clara y pertinente. Mi opinión inexperta: se suele considerar la metaestabilidad del vacío del SM como un indicio de la existencia de nuevas partículas que consiguen estabilizarlo. Sin embargo, aunque el vacío del SM fuera estable (lo cual aún no está claro) eso no significaría ni mucho menos, que no exista nueva Física, de hecho nada impide que las contribuciones de nuevas partículas como el stop o el higgsino permitan que el Universo siga siendo estable. Además sabemos que el SM no puede ser la teoría definitiva ya que no tiene en cuenta ni la gravedad, ni la materia oscura, ni la energía oscura, ni la asimetría barionica primigenia, etc, etc. Por tanto, sabemos que si existe una teoría que describe todos los fenómenos que observamos en nuestro Universo esta no puede ser el SM tal y como lo conocemos actualmente. Quedan muchos misterios por resolver, el más apasionante y en el que más se está avanzando últimamente es, en mi opinión, la naturaleza del espacio-tiempo. Ya hay indicios serios de que el espacio tiempo tiene una “estructura” y que es más rica y fascinante de lo que nadie imaginó. ¿Cuales serán los nuevos descubrimientos?

      1. No te enfades solo estamos bromeando. Por cierto, tienes que dejarnos probar a Sagutxo y a mi un poco de eso que fumas, seguro que no resolvíamos la hipótesis de Riemann pero unas risas nos echábamos seguro 🙂

  5. Si al final el Universo acaba siendo estable los cerebros de Boltzmann vuelven. Quizás lo sea, pero no a las escalas de tiempo que se requieren para que uno de esas entidades pudiera aparecer. Veremos.

  6. La probabilidad es mayor de cero, pero extremadamente pequeña. Y, cierto, puede estar ocurriendo ya en un lugar lejano y que no nos estemos dando cuenta. La física actual no lo prohíbe. Pero es muy, muy improbable que ocurra tan pronto, cuando solo el 70% de la densidad de energía total del universo es energía oscura.

    1. Haha, sin duda es algo que me tiene aun pensando, que si en el transcurso de mi vida podria pasar, es algo improbable, pero igual te deja duda y miedo, pero te das cuenta que es todo lo que puedes tener, ya que no hay probabilidad que diga si puede pasarnos a lo largo de la vida ya que solo existe la probabilidad de que ocurra dentro de mucho tiempo (pero mucho tiempo) solo que la maldita fisica cuantica te dice que si existe una pequeña probabilidad de que ocurra en cualquier momento, cerca de nuestra galaxia o fuera de nuestro universo visible.

      Por cierto, es una pregunta que tengo,
      ¿Si esta burbuja apareciera en nuestro universo visible, la podriamos ver? por ejemplo, con el telescopio Planck?

    2. ¿Qué tan “cerca” tendria que estar para que nos diéramos cuenta de ella? y otra pregunta, como dice Miguel, es necesario estar asustado? me siento con miedo desde que supe de eso, pienso que no vale la pena ni vivir, debería o es necesario sentirme a si?

  7. Pues, no queda de otra mas que seguir viviendo, claro que la respuesta de una persona como Francis nos puede alentar o animar (espero y lo hagas Francis xD) y pues, no queda nada mas que vivir y esperar el dia de nuestra muerte, hoy en dia creo que es dificil morir por vejez.

    1. Me entendiste mal, quise decir: Hoy en día cualquier persona muere de formas diferentes, quizás mañana salgas a la calle y mueras atropellado, o formas mas comunes, que te de un paro cardíaco, con esto quise decir “Hoy en día creo que es difícil morir por vejez”

      1. Vamos hombre, vivamos la vida, yo solo soy un chico de 16 años al cual le interesa la astronomía,física y matemáticas, creo que me queda un largo camino, incluso me gustaría incursionar en alguna de las ramas referentes a la Ciencia actual.

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