¿Qué significa que el Universo se encuentra en una fase inestable o metaestable y qué tiene que ver con el campo de Higgs?

Con motivo de la llegada de Stephen Hawking a Tenerife para participar en el festival Starmus, la prensa ha recogido una afirmación que habrá sorprendido a muchos lectores. Dice Hawking en el prólogo del libro Starmus, 50 Years of Man in Space editado para la ocasión que el Universo se encuentra en una fase inestable o metaestable, y que cualquier perturbación podría causar su destrucción. El culpable de este cataclismo sería además no otro que el bosón de Higgs.
Esta alarma queda matizada cuando se añade que para que esto ocurra sería preciso alcanzar energías del orden de cien millones de gigaelectronvoltios (1017eV), unas 10.000 veces mayor que la energía que se prevé alcance el LHC, el acelerador de partículas más potente del mundo. Así pues, ¿qué significa todo esto? ¿Existe realmente una posibilidad de que el campo de Higgs sea el causante de la destrucción del Universo?
El bosón de Higgs es un ingrediente del Modelo Estándar distinto a los demás. Según la teoría recientemente confirmada con su descubrimiento, hay una cierta densidad de partículas de Higgs en todas partes, y son las interacciones del resto de partículas del Modelo Estándar con esa condensación de partículas de Higgs las que les proporcionan inercia y, por tanto, masa. Lo que determina la densidad del condensado de Higgs es un potencial V(h).

De la misma forma que una piedra en la montaña busca minimizar su energía potencial y rueda hacia abajo, el campo de Higgs se sitúa en el mínimo de este potencial buscando también minimizar su energía y ello determina el valor que toma, es decir en qué lugar (en el paisaje descrito por el potencial) se sitúa. Ese paisaje es una variable interna, no tiene nada que ver con el espacio-tiempo. De hecho, no tenemos evidencia de que el campo de Higgs sea diferente en distintas partes del Universo, y por lo tanto pensamos que las masas y otras propiedades de las partículas son las mismas en todas partes.

Como ocurre con otras magnitudes de la física microscópica, algunos parámetros de la teoría tienen correcciones dependiendo de la energía a la que son explorados. Aunque estas variaciones son normalmente muy pequeñas, este fenómeno cuántico es bien conocido y se ha medido experimentalmente. Es más, el propio Modelo Estándar nos permite calcular la variación, pero sólo con un determinado nivel de precisión.
Tras el descubrimiento de la partícula de Higgs, conocemos todos los ingredientes que intervienen en el cálculo de estas correcciones de origen cuántico. Eso es cierto para cualquier cantidad, y también para el propio potencial de la partícula de
Higgs V(h). Y podría suceder que, a energías suficientemente elevadas, el potencial no tuviera un mínimo, o éste fuera muy distinto del que observamos. Este inesperado resultado es el que se obtendría con los valores actualmente medidos y las técnicas de cálculo actualmente disponibles extrapolando las observaciones actuales a las escalas de energía que Hawking menciona.

Burbujas de universos distintos

Si eso es efectivamente así, a energías muy elevadas podrían presentarse burbujas de un universo completamente distinto al nuestro. En realidad la cantidad que es determinante es la densidad de energía, no la energía en sí. ¿Crecerían dichas burbujas propiciando lo que algunos han llamado la catástrofe ecológica definitiva, o se evaporarían casi instantáneamente? Es difícil decirlo con total certeza sin saber las propiedades del nuevo mínimo, pero esta última posibilidad (la de su desaparición inmediata) parece plausible, puesto que su crecimiento requeriría mantener una densidad de energía suficientemente grande a lo largo del proceso.
Si la densidad de energía baja, la nueva fase deviene inestable a su vez, y la burbuja del nuevo universo revierte al estado normal. La concentración de energía suficientemente elevada debe persistir durante un tiempo suficiente para permitir la formación de las burbujas del nuevo mundo. Resulta especialmente intrigante la posibilidad de que no exista ni siquiera metaestabilidad, es decir que el Universo sea directamente inestable en caso de darse las condiciones indicadas.
Si el Universo es metaestable tendría consecuencias para nuestra comprensión de los primeros instantes después del Big Bang, cuando el Universo era muchísimo más pequeño y las energías mucho más elevadas. Si es directamente inestable parece sorprendente que la naturaleza haya elegido de todos los universos posibles uno donde esta peculiaridad se presenta.

En realidad, el principal culpable de esta posibilidad no sería el campo de Higgs sino uno de los quarks, el quark top. Es debido a su gran masa que aparece una corrección que provoca la inestabilidad o metaestabilidad mencionadas. De hecho, el bosón de Higgs intenta corregir esta inestabilidad, pero la masa actual se queda corta.

La vida cerca del abismo

En la naturaleza se han medido rayos cósmicos de energías hasta 1020 eV y por supuesto no se ha encontrado ninguna señal de inestabilidad del universo. ¡Ya nos habríamos enterado! Se dice que ello prueba que dicha inestabilidad es imposible. En realidad el argumento es falaz por distintas razones, quizás la más evidente es que los rayos cósmicos interaccionan siempre con partículas en reposo y no todos los 1020 eV (que supone la energía cinética de una pelota de tenis lanzada a 120 km/h, pero concentrada en el tamaño de un protón) son liberados, sino como máximo unos 1015 eV, sólo unas 100 veces mayor de la energía del LHC.
La metaestabilidad o inestabilidad del universo es por lo tanto una posibilidad. Por otra parte, aunque conocemos todos los ingredientes en el cálculo, la extrapolación del mismo a escalas de energía tan fantásticamente grandes requiere una enorme precisión tanto teórica como experimental de la que en estos momentos carecemos. Incluso si se demuestra que no hay inestabilidad o metaestabilidad finalmente, seguiría siendo intrigante por qué el Universo ha elegido vivir tan cerca del abismo.
En cierta manera, si la inestabilidad o metaestabilidad existen realmente estamos frente a una nueva forma de catástrofe ultravioleta. ¿Hay nueva física por descubrir tal vez?
El autor de esta entrada es el catedrático de Física Teórica de la Universidad de Barcelona Domènec Espriu. Aquí puedes ver otra entrada suya referente al bosón de Higgs.