|
Частица Хиггса могла бы уже уничтожить Вселенную
|
|
|
|
Хотя наша вселенная, просуществовавшая целых 13,7 миллиардов лет, может казаться стабильной, некоторые эксперименты показывают, что она находится в опасности - ходит по краю очень опасного обрыва. И все это из-за нестабильности единственной фундаментальной частицы - бозона Хиггса.
|
|
|
|
В новом исследовании, проведенном мной и моими коллегами, только что принятом к публикации в журнале Physical Letters B, мы показываем, что некоторые модели ранней Вселенной, те, которые включают объекты, называемые легкими первичными черными дырами, вряд ли верны, поскольку они уже привели бы к появлению бозона Хиггса, что привело бы к гибели космоса.
|
|
|
|
Бозон Хиггса отвечает за массу и взаимодействия всех известных нам частиц. Это потому, что массы частиц являются следствием взаимодействия элементарных частиц с полем, получившим название поля Хиггса. Поскольку бозон Хиггса существует, мы знаем, что это поле существует.
|
|
|
|
Вы можете представить себе это поле как ванну с абсолютно неподвижной водой, в которой мы нежимся. Оно обладает одинаковыми свойствами во всей Вселенной. Это означает, что мы наблюдаем одни и те же массы и взаимодействия во всем космосе. Это единообразие позволило нам наблюдать и описывать одну и ту же физику на протяжении нескольких тысячелетий (астрономы обычно оглядываются назад во времени).
|
|
|
Но поле Хиггса вряд ли находится в самом низком энергетическом состоянии, в котором оно могло бы находиться. Это означает, что теоретически оно может изменить свое состояние, перейдя в состояние с более низкой энергией в определенном месте. Однако, если бы это произошло, это кардинально изменило бы законы физики.
|
|
|
|
Такое изменение представляло бы собой то, что физики называют фазовым переходом. Это то, что происходит, когда вода превращается в пар, образуя пузырьки в процессе. Фазовый переход в поле Хиггса аналогичным образом создал бы низкоэнергетические пузырьки пространства с совершенно другой физикой.
|
|
|
|
В таком пузыре масса электронов внезапно изменилась бы, как и их взаимодействие с другими частицами. Протоны и нейтроны, которые составляют атомное ядро и состоят из кварков, внезапно бы переместились. По сути, любой, кто столкнется с такими изменениями, скорее всего, больше не сможет сообщить об этом.
|
|
Постоянный риск
|
|
|
|
Недавние измерения масс частиц на Большом адронном коллайдере (БАК) в Церне позволяют предположить, что такое событие возможно. Но не паникуйте, это может произойти только через несколько тысяч миллиардов миллиардов лет после того, как мы уйдем на покой. По этой причине в коридорах факультетов физики элементарных частиц обычно говорят, что Вселенная не нестабильна, а скорее "метастабильна", потому что конец света наступит не в ближайшее время.
|
|
|
|
Чтобы образовался пузырь, полю Хиггса нужна веская причина. Согласно квантовой механике, теории, которая управляет микрокосмосом атомов и частиц, энергия Хиггса постоянно колеблется. И статистически возможно (хотя и маловероятно, именно поэтому на это уходит так много времени), что Хиггс время от времени образует пузырь.
|
|
|
|
Однако при наличии внешних источников энергии, таких как сильные гравитационные поля или горячая плазма (форма материи, состоящая из заряженных частиц), ситуация меняется: поле может использовать эту энергию для более легкого образования пузырьков.
|
|
|
|
Таким образом, хотя сегодня нет оснований ожидать, что поле Хиггса образует многочисленные пузыри, большой вопрос в контексте космологии заключается в том, могли ли экстремальные условия вскоре после Большого взрыва спровоцировать такое образование пузырей.
|
|
|
|
Однако, когда Вселенная была очень горячей, хотя энергия, необходимая для образования пузырьков Хиггса, была доступна, тепловые эффекты также стабилизировали Хиггса, изменяя его квантовые свойства. Следовательно, это тепло не могло вызвать конец Вселенной, и, вероятно, именно поэтому мы все еще существуем.
|
|
Первичные черные дыры
|
|
|
|
Однако в нашем новом исследовании мы показали, что существует один источник тепла, который постоянно вызывал бы такое бурление (без стабилизирующих тепловых эффектов, наблюдавшихся в первые дни после Большого взрыва). Это первичные черные дыры, тип черных дыр, которые возникли в ранней Вселенной в результате коллапса чрезмерно плотных областей пространства-времени. В отличие от обычных черных дыр, которые образуются при коллапсе звезд, первичные дыры могут быть крошечными — весом не более грамма.
|
|
|
|
Существование таких легких черных дыр является предсказанием многих теоретических моделей, описывающих эволюцию космоса вскоре после Большого взрыва. Это включает в себя некоторые модели инфляции, предполагающие, что после Большого взрыва Вселенная сильно увеличилась в размерах.
|
|
|
|
Однако доказательство такого существования сопряжено с большой оговоркой: в 1970-х годах Стивен Хокинг продемонстрировал, что из-за квантовой механики черные дыры медленно испаряются, испуская излучение через свой горизонт событий (точку, из которой не может вырваться даже свет).
|
|
|
|
Хокинг показал, что черные дыры ведут себя во Вселенной как источники тепла, температура которых обратно пропорциональна их массе. Это означает, что легкие черные дыры намного горячее и испаряются быстрее, чем массивные. В частности, если бы в ранней Вселенной образовались первичные черные дыры весом более нескольких тысяч миллиардов граммов (в 10 миллиардов раз меньше массы Луны), как предполагают многие модели, они бы уже испарились.
|
|
|
|
В присутствии поля Хиггса такие объекты вели бы себя подобно примесям в газированном напитке — помогая жидкости образовывать пузырьки газа, повышая ее энергию за счет действия силы тяжести (из-за массы черной дыры) и температуры окружающей среды (из-за излучения Хокинга).
|
|
|
|
Когда первичные черные дыры испаряются, они локально нагревают Вселенную. Они могли бы образоваться в центре горячих точек, которые могли бы быть намного горячее, чем окружающая Вселенная, но все же холоднее, чем их обычная температура по Хокингу. Используя комбинацию аналитических расчетов и численного моделирования, мы показали, что из-за существования этих горячих точек они будут постоянно вызывать всплеск поля Хиггса.
|
|
|
|
Но мы все еще здесь. Это означает, что маловероятно, что такие объекты когда-либо существовали. На самом деле, мы должны исключить все космологические сценарии, предсказывающие их существование.
|
|
|
|
Это, конечно, если мы не обнаружим каких-либо свидетельств их существования в прошлом в виде древнего излучения или гравитационных волн. Если мы это сделаем, это может стать еще более захватывающим событием. Это будет означать, что есть что-то, чего мы не знаем о Хиггсе; что-то, что защищает его от образования пузырьков в присутствии испаряющихся первичных черных дыр. На самом деле это могут быть совершенно новые частицы или взаимодействия.
|
|
|
|
В любом случае, очевидно, что нам еще многое предстоит узнать о Вселенной в самых маленьких и самых больших масштабах.
|
|
|
|
Источник
|
