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Bóson de Higgs pode significar instabilidade do Universo

A massa do Higgs sugere Universo destinado ao fim em bilhões de éons

Cern
Processamento computadorizado mostra típica evidência de possível bóson de Higgs, incluindo dois fótons de alta energia (representada em vermelho) medida no CMS
Por Saswato R. Das

Físicos recentemente confirmaram que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN, o laboratório de física de partículas em Genebra, de fato encontrou um bóson de Higgs em julho último, cume de uma das buscas mais longas e caras da ciência.

A descoberta também significa que nossa Universo pode estar destinado a se despedaçar. “Se você usar toda a física que conhecemos atualmente e fizer o que acredita ser um cálculo direto, as notícias são ruins”, declara Joseph Lykken, teórico que trabalha para o Laboratório Nacional Acelerador Fermi, em Illinois. “Talvez o Universo em que vivemos seja inerentemente instável”.

O bóson de Higgs ajuda a explicar porque partículas têm a massa que têm. A partícula de Higgs que o LHC encontrou tem uma massa de aproximadamente 126 giga-elétron volts (GeV) – aproximadamente a massa combinada de 126 prótons (núcleos de hidrogênio). (Um GeV é igual a um bilhão de elétron volts.)

Com base na análise de dados realizada até agora, a partícula descoberta é consistente com o Modelo Padrão da física de partículas, a teoria altamente bem sucedida que descreve o mundo subatômico, apesar de outros modelos não poderem ser descartados.

“Ele está se parecendo muito com o bóson de Higgs do Modelo Padrão – apesar de também poder existir uma partícula de Higgs muito massiva que nosso experimento não é sensível o bastante para detectar”, observa Joseph Incandela, portavoz do experimento CMS (Solenóide Compacto de Múons) do LHC, um dos dois experimentos que detectaram a atual partícula de Higgs.

Ser um Higgs do Modelo Padrão pode ser a razão de nosso Universo ser, em última análise, instável. Isso tem a ver com a chamada estabilidade do vácuo do Modelo Padrão.

De acordo com a descrição mais aceita por físicos, um vácuo não é completamente destituído de matéria, mas está cheio de partículas e antipartículas que entram em existência e em seguida colidem umas com as outras, aniquilando-se mutuamente, em intervalos muito curtos.

A incerteza inerente contida na mecânica quântica permite essas flutuações espontâneas – enquanto as partículas não viverem mais do que um instante passageiro, o processo não viola nenhuma lei da física.

De acordo com Lykken, o Modelo padrão também afirma que “para que o vácuo do espaço vazio seja estável, devemos estar vivendo a uma energia potencial mínima”. Em outras palavras, a maioria das coisas acaba parando em um local de energia mais baixa.

Uma bola rola ladeira a baixo e para em um ponto baixo; fazê-la sair desse ponto requer energia. No caso do Universo, seria como viver no fundo de um vale cercado por colinas: o valor do potencial do Higgs seria o ponto mais baixo do vale.

Nosso Universo pode acabar se nosso vale não for de fato o mais baixo deles.

O físico Benjamin Allanach, da University of Cambridge, explica: “A forma do potencial do Higgs é determinada precisamente pela massa do Higgs”.

A massa observada de 126 GeV parece implicar que o Universo não existe no estado de energia mais baixo possível, mas que está, na verdade, posicionado em um local levemente incomum. “Para um bóson de Higgs de 126 GeV, podemos estar na área cinzenta onde o Universo está em um local mínimo que não é o mínimo global”, explica o físico Matthew Strassler, da Rutgers University.

É como estar em um vale onde o chão é mais alto do que o de um vale adjacente. Se você não soubesse que existe um vale profundo do outro lado da colina, você acreditaria estar no nível mais baixo possível. Se de alguma forma você conseguisse chegar ao outro lado, porém, desceria muito mais. 

Essa situação normalmente não ofereceria problema, já que você não poderia viajar entre vales – exceto na mecânica quântica, que permite tunelamento quântico de partículas através de colinas de maneira imprevisível.

Como resultado, “no futuro, nosso Universo poderia espontânea e aleatoriamente sofrer tunelamento para o mais profundo, com consequências potencialmente catastróficas”, explica Allanach.

Esse Universo metaestável não é uma ideia nova. Em 1979, físicos já tentavam calcular as implicações da massa do bóson de Higgs na cosmologia.

Em 201, o físico teórico Paul Steinhardt da Princeton University e Neil Turok do Instituto Perimeter para a Física Teórica no Canadá, descreveu um Universo cíclico, que alterna entre expansão e contração, e que é consistente com o tipo de metaestabilidade implicada pela massa observada do bóson de Higgs.

Mais recentemente, Giuseppe Degrassi da Universidade de Roma, e Jose Espinosa da Universidade Autônoma de Barcelona, e seus colaboradores, calcularam as implicações gerais da massa do Higgs.

“Agora sabemos com um grande nível de confiança que nosso vácuo está do lado instável, e pudemos calcular seu tempo de duração”, declara Espinosa. “Esse tempo parece ser muito maior que a atual idade do Universo”.

A maioria dos teóricos não parece muito preocupada com a destruição de nosso Universo, porque a metaestabilidade não se manifestaria tão cedo – se é que algum dia.

Além disso, eles esperam que o LHC encontre outras partículas em breve. Então, novos cálculos poderiam indicar que o Universo tem mais estabilidade.

Especificamente, o destino do Universo não depende  apenas do Higgs, mas também da massa do quark top, outra partícula fundamental com uma massa de aproximadamente 180 GeV. “O quark top afeta fortemente o vácuo com suas flutuações quânticas por ser muito pesado”, explica Allanach. “Se a massa do Higgs realmente for de 127 GeV e a massa do top for um pouco menor que seu valor mais provável, então o Universo seria completamente estável e o vácuo estaria no mínimo verdadeiro”.

De acordo com Steinhardt: “Existe um pouquinho de metaestabilidade. Por que o Universo está exatamente nesse ponto? Será que isso é algo profundo que temos que compreender?”

Supondo que tudo seja conhecido sobre o Modelo Padrão e que nenhuma partícula ou força nova seja encontrada no futuro, então o Universo pode estar na região cinzenta onde ele tem vida longa, mas é algo instável e portanto pode desaparecer daqui a alguns bilhões de éons. “E talvez nem bilhões de anos, mas bilhões de éons ou bilhões de bilhões” de éons, enfatiza Strassler. “Isso não é algo que me tira o sono”.