Bosão de Higgs e buracos negros primordiais podem pôr fim ao Universo

Embora o nosso Universo pareça estável, depois de existir há uns impressionantes 13,7 mil milhões de anos, várias experiências indicam que poderá estar em risco - como se caminhássemos à beira de um precipício extremamente perigoso. A causa está na instabilidade de uma única partícula fundamental: o bosão de Higgs.

Numa nova investigação realizada por mim e pelos meus colegas, recentemente aceite para publicação na Physical Letters B, mostramos que alguns modelos do Universo primordial - os que envolvem objectos denominados buracos negros primordiais leves - dificilmente estarão correctos, pois já teriam levado o bosão de Higgs a pôr fim ao cosmos.

O bosão de Higgs determina a massa e as interacções de todas as partículas que conhecemos. Isto acontece porque as massas das partículas resultam da interacção entre partículas elementares e um campo chamado campo de Higgs. A existência do bosão de Higgs confirma, por isso, a existência desse campo.

Podemos imaginar esse campo como uma banheira de água perfeitamente imóvel, na qual estamos imersos. As suas propriedades são iguais em todo o Universo. Consequentemente, observamos as mesmas massas e interacções em todo o cosmos. Esta uniformidade permitiu-nos observar e descrever a mesma física ao longo de vários milénios, já que os astrónomos costumam olhar para o passado.

No entanto, é pouco provável que o campo de Higgs se encontre no estado de energia mais baixo possível. Em teoria, isso significa que pode mudar de estado e descer para um nível energético inferior numa determinada região. Se tal sucedesse, as leis da física seriam drasticamente alteradas.

Uma mudança deste tipo seria aquilo a que os físicos chamam uma transição de fase. É o que acontece quando a água se transforma em vapor, formando bolhas durante o processo. De modo semelhante, uma transição de fase no campo de Higgs criaria bolhas de espaço de baixa energia, com uma física completamente diferente no seu interior.

Dentro de uma dessas bolhas, a massa dos electrões mudaria subitamente, tal como as suas interacções com outras partículas. Os protões e os neutrões - que constituem o núcleo atómico e são formados por quarks - também se desorganizariam de repente. Em termos práticos, quem passasse por uma transformação destas provavelmente deixaria de poder relatá-la.

Risco constante do bosão de Higgs

Medições recentes das massas das partículas, efectuadas no Grande Colisionador de Hadrões (LHC) do CERN, sugerem que esse acontecimento poderá ser possível. Mas não entre em pânico: poderá ocorrer apenas dentro de alguns milhares de biliões de biliões de anos, depois de nos reformarmos. Por esse motivo, nos corredores dos departamentos de física de partículas costuma dizer-se que o Universo não é instável, mas sim "meta-estável", porque o fim do mundo não acontecerá tão cedo.

Para se formar uma bolha, o campo de Higgs precisa de uma boa razão. Devido à mecânica quântica, a teoria que descreve o microcosmos dos átomos e das partículas, a energia do Higgs está sempre a flutuar. É estatisticamente possível, embora improvável - e é por isso que demora tanto tempo - que o Higgs forme ocasionalmente uma bolha.

Contudo, a situação muda quando existem fontes externas de energia, como campos gravitacionais intensos ou plasma quente, uma forma de matéria composta por partículas carregadas. O campo pode aproveitar essa energia para criar bolhas com maior facilidade.

Assim, embora não haja motivos para esperar que o campo de Higgs forme numerosas bolhas actualmente, uma questão importante na cosmologia é saber se os ambientes extremos existentes pouco depois do Grande Explosão poderiam ter desencadeado essa formação de bolhas.

Quando o Universo era extremamente quente, porém, apesar de haver energia disponível para ajudar a formar bolhas de Higgs, os efeitos térmicos também estabilizavam o Higgs ao alterarem as suas propriedades quânticas. Por conseguinte, esse calor não poderia provocar o fim do Universo, o que provavelmente explica por que ainda estamos aqui.

Buracos negros primordiais

Na nossa nova investigação, demonstrámos, contudo, que existe uma fonte de calor que provocaria continuamente a formação dessas bolhas, sem os efeitos térmicos estabilizadores observados nos primeiros tempos após o Grande Explosão. Trata-se dos buracos negros primordiais, um tipo de buraco negro que surgiu no Universo inicial a partir do colapso de regiões excessivamente densas do espaço-tempo.

Ao contrário dos buracos negros normais, que se formam quando as estrelas colapsam, os buracos negros primordiais poderiam ser minúsculos - com uma massa tão baixa como um grama.

A existência destes buracos negros leves é prevista por muitos modelos teóricos que descrevem a evolução do cosmos pouco depois do Grande Explosão. Entre eles encontram-se alguns modelos de inflação, segundo os quais o Universo aumentou enormemente de tamanho após o Grande Explosão.

No entanto, demonstrar essa existência implica uma importante ressalva: Stephen Hawking mostrou, na década de 1970, que, devido à mecânica quântica, os buracos negros evaporam lentamente ao emitirem radiação através do seu horizonte de acontecimentos, um ponto a partir do qual nem a luz consegue escapar.

Hawking demonstrou que os buracos negros se comportam como fontes de calor no Universo, tendo uma temperatura inversamente proporcional à sua massa. Isto significa que os buracos negros leves são muito mais quentes e evaporam mais depressa do que os mais massivos.

Em particular, se no Universo primordial se tivessem formado buracos negros primordiais com menos de alguns milhares de biliões de gramas - 10 mil milhões de vezes menos do que a massa da Lua -, como muitos modelos propõem, já teriam evaporado.

Na presença do campo de Higgs, estes objectos comportar-se-iam como impurezas numa bebida gaseificada: ajudariam o líquido a formar bolhas de gás, ao contribuírem para a sua energia através do efeito da gravidade, devido à massa do buraco negro, e da temperatura ambiente, causada pela sua radiação de Hawking.

Evaporação e bolhas no campo de Higgs

Quando os buracos negros primordiais evaporam, aquecem localmente o Universo. Evoluiriam no centro de pontos quentes que poderiam ser muito mais quentes do que o Universo circundante, mas ainda assim mais frios do que a sua temperatura de Hawking típica. Através de uma combinação de cálculos analíticos e simulações numéricas, mostrámos que a existência destes pontos quentes faria com que provocassem continuamente a formação de bolhas no campo de Higgs.

Mas continuamos aqui. Isso indica que é extremamente improvável que tais objectos tenham existido alguma vez. De facto, deveríamos excluir todos os cenários cosmológicos que prevêem a sua existência.

Naturalmente, isso só não será assim se descobrirmos indícios da sua existência passada em radiação antiga ou em ondas gravitacionais. Se isso acontecer, poderá ser ainda mais entusiasmante. Indicaria que há algo que desconhecemos acerca do Higgs, algo que o protege da formação de bolhas na presença de buracos negros primordiais em evaporação. Poderá, na realidade, tratar-se de partículas ou forças inteiramente novas.

De qualquer modo, é evidente que ainda temos muito a descobrir sobre o Universo, tanto nas escalas mais pequenas como nas maiores.

Lucien Heurtier, Investigador Associado de Pós-Doutoramento, King's College London

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.