Первичные черные дыры могли вызвать бурление поля Хиггса

Физик Люсьен Эртье в настоящее время работает в Королевском колледже Лондона в качестве научного сотрудника в группе теоретической физики элементарных частиц и космологии. он эксперт в области астрофизики частиц и теорий ранней Вселенной, занимается поиском темной материи и исследованием оригинальных моделей, которые могли бы описать эволюцию первичной Вселенной.

Его основные области специализации: теория темной материи, космическая инфляция, первичные черные дыры, теории, выходящие за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.

Недавно он и его коллеги представили новое исследование о том, что некоторые модели ранней Вселенной, включающие объекты, называемые легкими первичными черными дырами, вряд ли верны, поскольку они привели бы уже к концу Вселенной.

Хотя наша Вселенная кажется стабильной, существуя уже 13,8 миллиарда лет, несколько экспериментов показывают, что она находится под угрозой — 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 и только что принятом к публикации в Physical Letters B, мы показываем, что некоторые модели ранней Вселенной, включающие объекты, называемые легкими первичными черными дырами, вряд ли верны, потому что они должны были бы привести к появлению бозона Хиггса, что привело бы к гибели космоса.

Бозон Хиггса отвечает за массу и взаимодействие всех известных нам частиц. Это происходит потому, что масса частиц является следствием взаимодействия элементарных частиц с полем, названным полем Хиггса. Поскольку бозон Хиггса существует, мы знаем, что существует и поле.

Это поле можно представить себе как абсолютно неподвижную ванну, в которой мы мокнем. Оно обладает идентичными свойствами во всей Вселенной. Это означает, что мы наблюдаем одинаковые 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 в прошлое).

Но поле Хиггса, скорее всего, находится не в самом низком энергетическом состоянии, в котором оно могло бы находиться. Это означает, что теоретически оно может изменить свое состояние, перейдя в более низкое энергетическое состояние в определенном месте. Однако если бы это произошло, то законы физики изменились бы кардинальным образом.

Такое изменение представляет собой то, что физики называют фазовым переходом. Так происходит, когда вода превращается в пар, образуя при этом пузырьки. Фазовый переход в поле Хиггса аналогичным образом создал бы низкоэнергетические пузыри пространства с совершенно иной физикой в них.

В таком пузыре масса электронов внезапно изменится, как и их взаимодействие с другими частицами. Протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро и состоящие из кварков, внезапно разойдутся. В сущности, любой человек, столкнувшийся с подобными изменениями, скорее всего, уже не смог бы их зафиксировать.

Постоянный риск

Последние измерения масс частиц на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе говорят о том, что такое событие возможно. Но не стоит паниковать: это может произойти только через несколько тысяч миллиардов лет после нашего ухода 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 произойдет в ближайшее время.

Чтобы образовать пузырь, полю Хиггса нужна веская причина. Благодаря квантовой механике, теории, управляющей микрокосмосом атомов и частиц, энергия поля Хиггса постоянно колеблется. И статистически возможно (хотя и маловероятно, поэтому и требуется так много времени), что поле Хиггса время от времени образует пузырь.

Однако в присутствии внешних источников энергии, таких как сильные гравитационные поля или горячая плазма (форма материи, состоящая из заряженных частиц), дело обстоит иначе: поле может заимствовать эту энергию для более легкого образования пузырей.

Поэтому, хотя сегодня нет причин ожидать, что поле Хиггса образует многочисленные пузыри, в контексте космологии большой вопрос 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 пузырей Хиггса, была доступна, тепловые эффекты также стабилизировали поле Хиггса, изменив его квантовые свойства. Следовательно, это тепло не могло вызвать конец Вселенной, и, вероятно, именно поэтому мы все еще здесь.

Первичные черные дыры

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 Вселенной 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 бурление 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.

Конечно, если мы не обнаружим свидетельств их прошлого существования в древнем излучении или гравитационных волнах. Если мы их обнаружим, это может быть еще более захватывающим. Это будет означать, что мы чего-то не знаем о поле Хиггса; что-то, что защищает его от раздувания в присутствии испаряющихся первичных черных дыр. На самом деле это могут быть совершенно новые частицы или силы.

В любом случае, очевидно, что нам еще многое предстоит узнать о Вселенной в самых маленьких и самых больших масштабах.