La particule de Higgs aurait déjà pu mettre fin à l’univers : pourquoi sommes-nous toujours là ?

Sur Terre, l’univers semble stable. Il ne pouvait en être autrement. Il a persisté pendant au moins 13,7 milliards d’années. Cependant, à mesure que les experts approfondissent les particules quantiques et leur rôle dans le cosmos, la stabilité est ébranlée. Des expériences sur la particule de Higgs (ou boson de Higgs) et le champ de Higgs montrent que quelque chose pourrait mal se passer.

Aujourd’hui encore, l’instabilité d’une seule particule fondamentale, le boson de Higgs, nous place devant la possibilité inquiétante que le cosmos finisse en se transformant en bulles.

Que fait le boson de Higgs ?

Le boson de Higgs est responsable de la masse et des interactions de toutes les particules que nous connaissons.

Et cette masse dépend de l’interaction de particules élémentaires avec un champ appelé champ de Higgs.

Puisque le boson de Higgs existe, nous savons que ce champ fondamental permettant aux particules d’interagir les unes avec les autres existe.

Le domaine dans lequel nous nous plongeons

On peut imaginer ce champ comme un bain d’eau parfaitement calme dans lequel on se plonge. Il possède des propriétés identiques dans tout l’univers. Cela signifie que nous observons les mêmes masses et interactions dans tout le cosmos. Cette uniformité nous a permis d’observer et de décrire la même physique sur plusieurs millénaires (les astronomes regardent souvent en arrière).

Mais le plus inquiétant est que ce domaine fondamental doit rester exactement tel qu’il est. Si votre état énergétique était le plus bas possible, selon les physiciens, en théorie, vous pourriez changer d’état et si cela se produisait, les lois de la physique seraient radicalement modifiées.

La bulle

Un tel changement se produit lorsque l’eau se transforme en vapeur, formant ainsi des bulles. C’est ce que les physiciens appellent une transition de phase. Si ce changement devait se produire, le champ de Higgs créerait des bulles spatiales de faible énergie avec une physique complètement différente.

Dans une telle bulle, la masse des électrons changerait soudainement, tout comme leurs interactions avec d’autres particules. Les protons et les neutrons, qui composent le noyau atomique et sont constitués de quarks, se disloqueraient soudainement. Essentiellement, si un tel changement se produisait, personne ni rien ne serait là pour en parler.

Le risque de changement est constant

Mesures récentes des masses de particules dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN suggèrent qu’un tel événement pourrait être possible. Mais ne semez pas la panique ; C’est possible, oui, mais dans quelques milliards d’années. C’est pourquoi, dans les couloirs des départements de physique des particules, on dit souvent que l’univers n’est pas instable, mais plutôt « métastable », car la fin du monde viendra probablement, mais elle n’arrivera pas de sitôt.

Pour former une bulle, le champ de Higgs a besoin d’une bonne raison. En raison de la mécanique quantique, la théorie qui régit le microcosme des atomes et des particules, l’énergie de Higgs fluctue toujours. Et il est statistiquement possible (bien que peu probable, c’est pourquoi il faudrait si longtemps pour que cela se produise) que le Higgs forme une bulle de temps en temps.

Et si une énergie supplémentaire entre en jeu ?

L’histoire est différente, et l’improbabilité ne serait plus si grande, en présence de sources d’énergie externes telles que champs gravitationnels forts ou plasma chaud (une forme de matière composée de particules chargées). Le champ de Higgs pourrait emprunter cette énergie supplémentaire pour former plus facilement des bulles.

Par conséquent, même s’il n’y a aucune raison de s’attendre à ce que le champ de Higgs forme aujourd’hui de nombreuses bulles, une grande question dans le contexte de la cosmologie est de savoir si des environnements extrêmes peu après le Big Bang auraient pu déclencher une telle formation de bulles.

Les données suggèrent qu’à cette époque, lorsque l’univers était très chaud et que l’énergie était disponible pour aider à former les bulles de Higgs destructrices, Ces effets thermiques servaient également en même temps à stabiliser le Higgs modifiant ses propriétés quantiques. Cette chaleur ne pourrait donc pas déclencher la fin de l’univers, ce qui explique probablement pourquoi nous sommes toujours là.

Le dilemme des trous noirs primordiaux

Notre nouvelle recherche qui vient d’être acceptée pour publication dans Lettres physiques, démontre qu’il existe une source de chaleur qui provoquerait constamment ce bouillonnement indésirable du champ de Higgs (sans les effets thermiques stabilisants observés dans les premiers jours après le Big Bang). La source de cette chaleur pourrait être des trous noirs primordiaux, un type de trou noir qui serait hypothétiquement apparu dans l’univers primitif à la suite de l’effondrement de régions trop denses de l’espace-temps.

Contrairement aux trous noirs normaux, qui se forment lorsque les étoiles s’effondrent, les trous noirs primordiaux pourraient être minuscules, aussi légers qu’un gramme.

L’existence de ces trous noirs légers est une prédiction de nombreux modèles théoriques décrivant l’évolution du cosmos peu après le Big Bang. Ceci comprend certains modèles d’inflationce qui suggère que la taille de l’univers a énormément augmenté après le Big Bang.

Le dilemme et la solution

Cependant, prouver cette existence s’accompagne d’une grande mise en garde : Stephen Hawking a démontré dans les années 1970 que, en raison de la mécanique quantique, les trous noirs s’évaporent lentement, émettant un rayonnement à travers leur horizon des événements (un point que même la lumière ne peut atteindre). .

Hawking a démontré que les trous noirs se comportent comme des sources de chaleur dans l’univers, avec une température inversement proportionnelle à sa masse. Cela signifie que les trous noirs légers sont beaucoup plus chauds et s’évaporent plus rapidement que les trous noirs massifs. En particulier, si des trous noirs primordiaux pesant plus de quelques milliards de grammes (10 milliards de fois plus petits que la masse de la Lune) s’étaient formés dans l’univers primitif, comme le suggèrent de nombreux modèles, ils se seraient déjà évaporés.

Dans présence du champ de Higgsde tels objets se comporteraient comme des impuretés dans une boisson gazeuse, aidant le liquide à former des bulles de gaz en contribuant à son énergie sous l’effet de la gravité (due à la masse du trou noir) et de la température ambiante (due à son rayonnement Hawking).

Quand les trous noirs primordiaux s’évaporent, ils chauffent l’univers localement. Ils évolueraient entre des points qui pourraient être beaucoup plus chauds que l’univers environnant, mais toujours plus froids que la température typique de Hawking.

Ce que nous avons montré, en combinant des calculs analytiques et des simulations numériques, c’est que ces points chauds bouillonneraient constamment dans le champ de Higgs. Et avec ça, la fin.

Mais nous sommes toujours là. Il faut donc regarder ce qui est observé d’un point de vue radicalement différent. Cela signifie qu’il est très peu probable que de tels objets aient jamais existé. En fait, nous devrions exclure tous les scénarios cosmologiques prédisant l’existence de trous noirs primordiaux.

Ceci, bien sûr, à moins que nous découvrions des preuves de son existence passée dans d’anciennes radiations ou ondes gravitationnelles. Si on le trouve, cela peut être encore plus excitant. Cela indiquerait qu’il y a quelque chose que nous ne savons pas sur le boson de Higgs ; quelque chose qui le protège des bulles en présence de trous noirs primordiaux en évaporation. Il pourrait en fait s’agir de particules ou de forces complètement nouvelles.

Quoi qu’il en soit, il est clair que nous avons encore beaucoup à découvrir sur cet univers étrange, aux plus petites et aux plus grandes échelles.