Туманность Тарантул — область звездообразования — запечатленная космическим телескопом Джеймса Уэбба. Автор: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team, CC BY-SA
Хотя наша Вселенная может казаться стабильной, существуя целых 13,7 миллиарда лет, несколько экспериментов показывают, что она находится в опасности — ходит по краю очень опасного обрыва. И все это из-за нестабильности одной фундаментальной частицы: бозона Хиггса.
В новом исследовании, проведенном мной и моими коллегами, которое только что было принято к публикации в Физические буквы B, мы показываем, что некоторые модели ранней Вселенной, включающие объекты, называемые легкими первичными черными дырами, вряд ли будут верными, потому что они уже сейчас вызвали бы появление бозона Хиггса, положившего конец космосу. р> <р>Бозон Хиггса отвечает за массу и взаимодействие всех известных нам частиц. Это потому, что массы частиц являются следствием взаимодействия элементарных частиц с полем, называемым полем Хиггса. Поскольку бозон Хиггса существует, мы знаем, что поле существует.
Вы можете представить это поле как совершенно неподвижную ванну с водой, в которой мы окунаемся. Оно имеет идентичные свойства во всей вселенной. Это означает, что мы наблюдаем одни и те же массы и взаимодействия во всем космосе. Эта однородность позволила нам наблюдать и описывать одну и ту же физику на протяжении нескольких тысячелетий (астрономы обычно смотрят назад во времени).
Но поле Хиггса вряд ли будет находиться в самом низком возможном энергетическом состоянии. Это означает, что теоретически оно может изменить свое состояние, опустившись до более низкого энергетического состояния в определенном месте. Однако, если бы это произошло, это кардинально изменило бы законы физики.
Такое изменение представляло бы 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 них.
В таком пузыре масса электронов внезапно изменится, а также ее взаимодействие с другими частицами. Протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро и состоящие из кварков, внезапно сместятся. По сути, любой, кто испытает такое изменение, скорее всего, больше не сможет сообщить об этом.
Постоянный риск
Недавние измерения масс частиц на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе показывают, что такое событие возможно. Но не паникуйте; это может произойти только через несколько тысяч миллиардов миллиардов лет после того, как мы уйдем на пенсию. По этой причине в коридорах кафедр физики элементарных частиц обычно говорят, что Вселенная не нестабильна, а скорее «метастабильна», потому что конец света не наступит в ближайшее время.
Чтобы образовать пузырь, полю Хиггса нужна веская причина. Из-за квантовой механики, теории, которая управляет микрокосмосом атомов и частиц, энергия Хиггса всегда флуктуирует. И статистически возможно (хотя маловероятно, поэтому это занимает так много времени), что Хиггс время от времени образует пузырь.
Однако, история меняется при наличии внешних источников энергии, таких как сильные гравитационные поля или горячая плазма (форма материи, состоящая из заряженных частиц): поле может заимствовать эту энергию, чтобы легче образовывать пузырьки.
Поэтому, хотя нет никаких оснований ожидать, что поле Хиггса сегодня образует многочисленные пузыри, большой вопрос в контексте космологии заключается в том, могли ли экстремальные условия вскоре после Большого взрыва спровоцировать такое пузырение.
Однако, когда Вселенная была очень горячей, хотя энергия была доступна для формирования пузырей Хиггса, тепловые эффекты также стабилизировали Хиггс, изменяя его квантовые свойства. Следовательно, это тепло не могло спровоцировать конец Вселенной, и, вероятно, именно поэтому мы все еще здесь.
Первичные черные дыры
В нашем новом исследовании мы показали, что есть один источник тепла, который постоянно вызывает такое пузырение (без стабилизирующих тепловых эффектов, наблюдавшихся в первые дни после Большого взрыва). Это первичные черные дыры, тип черных дыр, которые возникли в ранней Вселенной из-за коллапса чрезмерно плотных областей пространства-времени. В отличие от обычных черных дыр, которые образуются при коллапсе звезд, первичные могут быть крошечными — легкими как грамм.
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 Вселенная сильно раздулась после Большого взрыва.
Однако доказательство этого существования сопровождается большой оговоркой: Стивен Хокинг продемонстрировал в 1970-х годах, что из-за квантовой механики черные дыры медленно испаряются, испуская излучение через свой горизонт событий (точку, из которой даже свет не может вырваться).
Хокинг показал, что черные дыры ведут себя как источники тепла во Вселенной, с температурой, обратно пропорциональной их массе. Это означает, что легкие черные дыры намного горячее и испаряются быстрее, чем массивные. В частности, если бы первичные черные дыры легче нескольких тысяч миллиардов граммов образовались в ранней Вселенной (в 10 миллиардов раз меньше массы Луны), как предполагают многие модели, они бы уже испарились.
В присутствии поля Хиггса такие объекты вели бы себя как примеси в газированном напитке — помогая жидкости образовывать пузырьки газа, внося вклад в ее энергию посредством эффекта гравитации (из-за массы черной дыры) и температуры окружающей среды (из-за ее излучения Хокинга).
Когда первичные черные дыры испаряются, они локально нагревают Вселенную. Они будут развиваться посреди горячих точек, которые могут быть намного горячее, чем окружающая Вселенная, но все же холоднее, чем их типичная температура Хокинга. Используя сочетание аналитических расчетов и численного моделирования, мы показали, что из-за существования этих горячих точек они будут постоянно вызывать пузырение поля Хиггса.
Но мы все еще здесь. Это означает, что такие объекты вряд ли когда-либо существовали. Фактически, мы должны исключить все космологические сценарии, предсказывающие их существование.
Конечно, если мы не обнаружим какие-либо доказательства их прошлого существования в виде древнего излучения или гравитационных волн. Если мы это сделаем, это может быть еще более захватывающим. Это означало бы, что мы чего-то не знаем о Хиггсе; нечто, что защищает его от пузырьков в присутствии испаряющихся первичных черных дыр. На самом деле это могут быть совершенно новые частицы или силы.
В любом случае ясно, что нам еще многое предстоит узнать о Вселенной в самых маленьких и самых больших масштабах.
Дополнительная информация: Луи Хамайд и др., Первичные черные дыры — настоящие вакуумные питомники, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2311.01869
Информация журнала: arXiv
Предоставлено The Conversation
