Friday, 21 Sep 2018

Il bosone di Higgs e l’universo metastabile

Lo stato fondamentale dell’Universo dipende dal potenziale del campo di Higgs. Se l’universo sta nel minimo globale del potenziale (un “vero” stato di vuoto), allora è stabile. Ma se il minimo è locale ed esiste un minimo più profondo, il vuoto è “falso”, e l’universo potrebbe catastroficamente cadere nel vero stato di vuoto.  Una nuova analisi teorica da Alexander V. Bednyakov [1] presso l’Istituto congiunto per la ricerca nucleare, Dubna, Russia, e collaboratori conclude che se il modello standard è corretto, i valori misurati di determinati quantitativi, come ad esempio la massa del bosone di Higgs, implicano che l’Universo sia metastabile. Tuttavia, essi mostrano anche che la stabilità potrebbe essere più probabile di quanto studi precedenti abbiano indicato.

 

L’Higgs gioca un ruolo cruciale per capire com’è fatto l’Universo: la misura precisa della sua massa ci permetterà di conoscere il passato (quello che è avvenuto un decimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang) così come il futuro. Infatti il destino dell’Universo, in termini di stabilità o instabilità, dipende criticamente dalla massa del bosone. C’è stata molta incertezza e molta difficoltà nel determinare la massa dell’Higgs. Il bosone avrebbe potuto avere una massa all’interno di un intervallo abbastanza ampio, a partire da 114 GeV/c2 fino a 126 GeV/c2.
Variando il valore del peso dell’Higgs nel quadro del Modello Standard, la teoria che spiega le interazioni tra le forze e le particelle note, si ottengono due scenari possibili: da un lato il collasso dell’Universo e dall’altro la sua espansione indefinita.

  • INSTABILITA’ – Con massa dell’Higgs inferiore a 120 GeV/c2, secondo il Modello Standard, il nostro universo non esisterebbe. La nostra esistenza dimostrerebbe che è necessario l’intervento di una nuova fisica ad integrare il Modello Standard.
  • METASTABILITA’ – Con massa dell’Higgs Standard tra i 120 e 126 GeV/c2, il nostro universo va incontro ad una trasformazione che lo porterà in una nuova fase, ma ci vorranno miliardi di anni.
  • STABILITA’ – Con massa dell’Higgs Standard maggiore di 126 GeV/c2, il nostro universo si conserverebbe così com’è.

In teoria quantistica, un stabile “vero” vuoto corrisponde al minimo globale del potenziale scalare, una funzione che dipende da tutti i campi scalari associati alle forze fondamentali della natura. Un vuoto metastabile o “falso” è invece un minimo locale. Se l’universo sta nel solo (o più profondo) minimo di potenziale, il suo futuro non è in pericolo. Tuttavia, è anche possibile che la corrente minima sia “locale” ed esista un minimo più profondo, o il potenziale abbia un abisso senza fondo separato dal minimo locale da una barriera finita. In questi casi, l’Universo alla fine cadrà in qualche altro stato, in cui la vita come la conosciamo potrebbe essere impossibile. Naturalmente, la probabilità che questo evento catastrofico possa accadere è piccola, perché l’universo è rimasto nello stato attuale per oltre dieci miliardi di anni. Tuttavia, la semplice possibilità di un inevitabile, seppur lontana, “fine del mondo” è inquietante per tutti.

Se l’universo è in un vero e proprio vuoto o un falso vuoto può essere calcolato dalle masse del bosone di Higgs e il quark top. Per tale calcolo, si deve presumere che non esista fisica che vada oltre il modello standard, come ad esempio nuove particelle o forze, apparire fino ad una scala di estremamente alta energia – scala di Planck. Il collegamento tra le masse di queste particelle e il destino dell’Universo non è banale. L’analisi è facilitata da un formalismo matematico chiamato “renormalization group evolution” [2]  che descrive il comportamento di un sistema a diverse scale di lunghezza (o, equivalentemente, scale energia). Le equazioni del gruppo di rinormalizzazione permettono ai ricercatori di esplorare l’intera forma del potenziale di Higgs e trovare qualsiasi massimi e minimi supplementari. Domande sulla stabilità dell’Universo sono state raffinate dalle misure della massa del bosone di Higgs . I fisici di Atlas e Cms, in due esperimenti indipendenti  hanno scoperto il bosone di Higgs nel 2012, presentando per la prima volta una stima unica per la massa della particella. Il bosone di Higgs pesa 125,09 ± 0,24 GeV/c2, implicando che il nostro universo esista in uno stato di confine di metastabilità [3]. È interessante, quindi, perfezionare i calcoli teorici e le previsioni associate.

Bednyakov et al. hanno ormai effettuato un state-of-the-art di analisi-probabilmente la più affidabile fino ad oggi. Hanno calcolato il potenziale di Higgs usando approssimazioni molto precise. Per esempio, hanno preso in considerazione le forti interazioni-correzioni fino a quattro loop, l’evoluzione gruppo di rinormalizzazione fino a tre cicli, ecc (Nel linguaggio dei diagrammi di Feynman, una approssimazione “zero-loop” è la descrizione classica, e sono necessari più alti numeri di cicli per l’inclusione più accurata degli effetti quantistici. Tuttavia, gli ordini high-loop sono notoriamente difficili da calcolare.)

La loro conclusione è che la migliore soluzione teorica ai parametri misurati, tra cui il bosone e le masse top-quark, punta a un universo metastabile. Tuttavia, la loro analisi conclude inoltre che i valori dei parametri sono più vicini ad una regione di assoluta stabilità rispetto a quanto suggerito da studi precedenti: è possibile che l’universo sia pienamente stabile (e il modello standard funzionerebbe fino alla scala di Planck ), se i veri valori dei parametri misurati siano solo 1,3 deviazioni standard di distanza dalle migliori stime attuali. Sarà necessaria una conoscenza più precisa della massa del bosone di Higgs, la massa top-quark, la costante di accoppiamento forte, e altri parametri per far luce sulla questione.

Se l’universo resta in un falso vuoto, ci si dovrebbe chiedere come sia arrivato lì, nonostante la presenza di un minimo più profondo o una pendenza fondo nel potenziale . Si è sostenuto che la formazione di bolle di energia negativa impedisca l’Universo dal popolare  il falso vuoto di Higgs, se esiste un minimo più profondo [4]. Pertanto, la predetta metastabilità implicherebbe che il modello standard non possa essere valido fino alla scala di Planck, e le nuove particelle e interazioni debbano contribuire al potenziale scalare.

Da sottolineare che la vicinanza di instabilità implica che il potenziale di Higgs non cresce così ripidamente come ci si potrebbe aspettare. Campi scalari con potenziali superficiali tendono a sviluppare aspettative di valori di grandi dimensioni durante l’inflazione nell’Universo primordiale. Nel caso del campo di Higgs, la sua relax minima presente oggi può essere responsabile per la osservata asimmetria materia-antimateria. La comprensione del possibile ruolo del campo di Higgs nel generare l’asimmetria materia-antimateria si basa anche sulla conoscenza del potenziale Higgs a scale di alta energia.

Per capire il futuro e il passato dell’Universo, e valutare la validità delle previsioni escatologiche, c’è bisogno di misure più precise della massa del bosone di Higgs e di altri parametri del modello standard. I progressi in questa direzione verrà da futuri esperimenti a LHC, così come in altri servizi imminenti, come il Linear Collider internazionale e il Very Large Hadron Collider. Tuttavia, gli stessi esperimenti possono anche scoprire nuove particelle e interazioni, che modifica il bosone di potenziale e quindi alterare profondamente l’attuale discussione sulla stabilità dell’Universo.

 

[1]Stability of the Electroweak Vacuum: Gauge Independence and Advanced Precision – [ Bednyakov et al. 2015]

[2]The renormalization group: Critical phenomena and the Kondo problem – Kenneth G. Wilson, 1975

[3]Higgs mass and vacuum stability in the Standard Model at NNLO – [De Grassi et al. 2012]

[4]The cosmological Higgstory of the vacuum instability – [Espinosa et al. 2105]

 

Fonti: Aps Physics / INFN

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