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Por qué nuestro universo puede existir al borde de un precipicio

Gian Giudice

¿La mayor sorpresa de descubrir el bosón de Higgs? Que no hubo sorpresas. Gian Giudice nos lleva a través de un problema de física teórica: ¿y si existe el campo de Higgs en ​​un estado ultra-denso que podría significar el colapso de toda la materia atómica? Con ingenio y encanto, Giudice esboza un destino sombrío… y por qué no deberíamos empezar a preocuparnos por el momento. (Filmado en TEDxCERN.)

Gian-GiudiceEl año pasado, el 4 de julio, experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, GCH, descubrieron el bosón de Higgs. Fue un día histórico. No hay duda de que de ahora en adelante, el 4 de julio será recordado no como el día de la Declaración de Independencia, sino como el día del Descubrimiento del Bosón de Higgs. Bueno, al menos, aquí en el CERN. Pero para mí, la mayor sorpresa del día fue que no hubo ninguna gran sorpresa. Para el ojo de un físico teórico, el bosón de Higgs es una explicación inteligente de cómo algunas partículas elementales ganan masa; sin embargo, parece una solución bastante insatisfactoria e incompleta. Quedan muchas preguntas sin responder. El bosón de Higgs no comparte la belleza, la simetría, la elegancia, del resto del mundo de las partículas elementales. Por esta razón, la mayoría de los físicos teóricos cree que el bosón de Higgs no puede ser la historia completa. Esperábamos nuevas partículas y fenómenos acompañando al bosón de Higgs. En cambio, hasta ahora, las mediciones procedentes del GCH no muestran signos de nuevas partículas o fenómenos inesperados. Por supuesto, la sentencia no es definitiva. En el año 2015, el GCH casi doblará la energía de la colisión de protones, y estas colisiones más poderosas permitirán explorar más el mundo de las partículas, y sin duda aprenderemos mucho más. Pero por el momento, ya que no se ha encontrado evidencia de nuevos fenómenos, esto nos deja suponer que las partículas que conocemos hoy en día, incluyendo el bosón de Higgs, son las únicas partículas elementales en la naturaleza, incluso a energías mucho mayores que las que hemos explorado hasta ahora. Vamos a ver a donde nos llevará esta hipótesis. Nos encontraremos con un resultado sorprendente y fascinante acerca de nuestro universo; y para explicar mi punto, primero les explicaré qué es el Higgs, y para hacerlo, tenemos que retroceder a un diezmilmillonésimo de segundo después del Big Bang. Y según la teoría de Higgs, en ese instante, se produjo un acontecimiento dramático en el universo. El espacio-tiempo experimentó una transición de fase. Fue algo muy similar a la transición de fase que ocurre cuando el agua se convierte en hielo por debajo de los cero grados. Pero en nuestro caso, la transición de fase no es un cambio en la forma como las moléculas se organizan dentro de la materia, sino que se trata de un cambio de la estructura del espacio-tiempo. Durante esta transición de fase, el espacio vacío se llenó de una sustancia que ahora llamamos campo de Higgs. Y esta sustancia puede parecer invisible para nosotros, pero tiene una realidad física. Nos rodea todo el tiempo, al igual que el aire que respiramos en esta habitación. Y algunas partículas elementales interactúan con esta sustancia, obteniendo energía en el proceso. Y esta energía intrínseca es lo que llamamos la masa de una partícula, y al descubrir el bosón de Higgs, el GCH ha demostrado concluyentemente que esta sustancia es real, porque las cosas están constituidas por los bosones de Higgs. Y esto, en pocas palabras, es la esencia de la historia de Higgs. Pero esta historia es mucho más interesante. Mediante el estudio de la teoría de Higgs, físicos teóricos descubrieron, no a través de un experimento sino mediante el poder de las matemáticas, que el campo de Higgs no existe necesariamente solamente en la forma que observamos hoy. Al igual que la materia puede existir como líquido o sólido, el campo de Higgs, la sustancia que llena todo el espacio-tiempo, podría existir en dos estados. Además el estado de Higgs conocido, podría haber adoptado un segundo estado donde el campo de Higgs es miles de millones de veces más denso que lo que observamos hoy en día, y la mera existencia de otro estado del campo de Higgs plantea un problema potencial. Esto es porque, de acuerdo a las leyes de la mecánica cuántica, es posible tener transiciones entre dos estados, incluso en presencia de una barrera de energía que separe los dos estados, un fenómeno llamado, muy apropiadamente, efecto túnel cuántico. Debido al efecto túnel cuántico yo podría desaparecer de esta habitación y aparecer en la habitación de al lado, prácticamente penetrando la pared. Pero no esperen que realice el truco ante sus ojos, porque la probabilidad para mí de atravesar la pared es ridículamente pequeña. Tendrán que esperar mucho tiempo antes de que suceda, pero créanme, el efecto túnel cuántico es un fenómeno real, y se ha observado en muchos sistemas. Por ejemplo, el diodo túnel, un componente usado en electrónica, funciona gracias a las maravillas del efecto túnel cuántico. Pero volvamos al campo de Higgs. Si existiera el estado Higgs ultra denso, entonces, debido al efecto túnel cuántico, una burbuja de este estado podría aparecer de repente en algún lugar del universo en un momento determinado, lo que es análogo a lo que sucede cuando el agua hierve. Las burbujas de vapor se forman dentro del agua, luego se expanden, convirtiendo líquido en gas. De la misma manera, una burbuja del estado Higgs ultra denso podría venir a la existencia por el efecto túnel cuántico. Luego se expandiría la burbuja a la velocidad de la luz, invadiendo todo el espacio y convirtiendo el campo de Higgs del estado familiar al nuevo estado. ¿Esto es un problema? Sí, es un gran problema. No puede ocurrirnos en la vida cotidiana, pero la intensidad del campo de Higgs es crítica para la estructura de la materia. Si el campo de Higgs fuera un poco más intenso, veríamos átomos encogiéndose, neutrones decayendo dentro de los núcleos atómicos, los núcleos desintegrándose, y el hidrógeno sería el único elemento químico posible en el universo. El campo de Higgs, en su estado de Higgs ultra denso, no solo es un par de veces más intenso que en la actualidad, sino miles de millones de veces, y si el espacio-tiempo se llenara con ese estado de Higgs, toda la materia atómica colapsaría. No existirían estructuras moleculares, ni vida. Entonces, me pregunto, ¿es posible que en el futuro, el campo de Higgs sufra una transición de fase y, a través del efecto túnel cuántico, se transforme en este estado desagradable, ultra denso? En otras palabras, me pregunto, ¿cuál es el destino del campo de Higgs en nuestro universo? Y el ingrediente crucial necesario para responder a esta pregunta es la masa del bosón de Higgs. Y experimentos en el GCH encontraron que la masa del bosón de Higgs es aproximadamente 126 GeV. Esto es pequeño cuando se expresa en unidades familiares, porque es igual a 10 a la menos 22 gramos. Pero es grande en las unidades de la física de partículas, porque es igual al peso de una molécula entera de un constituyente del ADN. Armados con esta información del GCH, junto con algunos colegas aquí en el CERN, calculamos la probabilidad de que nuestro universo pudiera atravesar el túnel cuántico al estado de Higgs ultra denso, y hemos encontrado un resultado muy interesante. Nuestros cálculos han demostrado que el valor medido de la masa de bosón de Higgs es muy especial. Tiene justo el valor correcto para mantener suspendido al universo en una situación inestable. El campo de Higgs está en una configuración inestable que se ha mantenido hasta ahora pero que finalmente se derrumbará. Así que según estos cálculos, somos como los campistas que accidentalmente ponen su tienda en el borde de un precipicio. Y finalmente, el campo de Higgs experimentará una transición de fase y la materia se derrumbará en sí misma. ¿Así es cómo la humanidad va a desaparecer? No lo creo. Nuestro cálculo muestra que ese efecto túnel cuántico del campo de Higgs no es probable que se produzca en los próximos 10 a la 100 años y eso es mucho tiempo. Es incluso más que el tiempo que tarda Italia en formar un gobierno estable. (Risas) Aún así, para entonces ya nos habremos ido hace tiempo. En unos 5 mil millones de años, nuestro Sol se convertirá en una gigante roja, tan grande como la órbita de la Tierra, y nuestra Tierra será “kaput”, y en un billón de años, si la energía oscura sigue impulsando la expansión del espacio al ritmo actual, ni siquiera podrán ver más allá de sus pies, porque todo a su alrededor se expandirá a un ritmo más rápido que la velocidad de la luz. Así que es muy poco probable que estemos por allí para ver el colapso del campo de Higgs. Pero la razón para interesarme en la transición del campo de Higgs es porque quiero abordar la cuestión, ¿por qué es la masa del bosón de Higgs tan especial? ¿Por qué es justo la correcta para mantener el universo en el borde de una transición de fase? Los físicos teóricos siempre preguntan “por qué”. Mucho más que “cómo” funciona un fenómeno, los físicos teóricos siempre están interesados en “por qué” un fenómeno funciona de la manera que funciona. Creemos que estas preguntas de “por qué” nos pueden dar pistas acerca de los principios fundamentales de la naturaleza. Y en efecto, una posible respuesta a mi pregunta abre nuevos universos, literalmente. Se ha especulado que nuestro universo es solo una burbuja en un multiverso jabonoso hecho de una multitud de burbujas, y cada burbuja es un universo diferente con diferentes constantes fundamentales y diferentes leyes físicas. Y en este contexto, solo se puede hablar de la probabilidad de encontrar un determinado valor de la masa de Higgs. Entonces la clave del misterio podría residir en las propiedades estadísticas del multiverso. Sería algo parecido a lo que sucede con las dunas de arena en una playa. En principio, uno podría imaginar encontrar dunas de arena con cualquier ángulo de pendiente en una playa, y sin embargo, los ángulos de inclinación de las dunas de arena típicamente miden alrededor de 30, 35 grados. Y la razón es simple: el viento acumula la arena y la gravedad la hace caer. Como resultado, la mayoría de las dunas de arena tienen ángulos de inclinación alrededor del valor crítico, cerca del colapso. Y algo similar podría suceder para la masa del bosón de Higgs en el multiverso. En la mayoría de los universos burbuja, la masa de Higgs podría estar alrededor del valor crítico, cerca de un colapso cósmico del campo de Higgs, debido a dos efectos en competencia, igual que en el caso de la arena. Mi historia no tiene un fin, porque aún no sabemos el final de la historia. Esto es ciencia en progreso, y para resolver el misterio, necesitamos más datos, y espero que el GCH pronto añada nuevas pistas a esta historia. Solo un número, la masa del bosón de Higgs, y sin embargo, de este número aprendemos mucho. Yo empecé desde una hipótesis, que las partículas conocidas son todo lo que hay en el universo, incluso más allá del dominio explorado hasta ahora. De esto, descubrimos que el campo de Higgs que impregna el espacio-tiempo puede estar permanentemente al filo de la navaja, listo para el colapso cósmico, y descubrimos que esta puede ser una pista de que nuestro universo es solo un grano de arena en una playa gigante, el multiverso. Pero no sé si mi hipótesis es correcta. Así es como funciona la física: una sola medición puede ponernos en el camino a una nueva comprensión del universo o nos puede enviar a un callejón sin salida. Pero en cualquier caso de una cosa estoy seguro: El viaje estará lleno de sorpresas. Gracias. (Aplausos)

Tomado íntegro de Ted ideas que vale la pena difundir.

Traducido al español por:Lidia Cámara de la Fuente
Revisado por: Sebastian Betti