جسيمات هيغز والثقوب السوداء الصغيرة تدمر كوننا
مصر:إيهاب محمد زايد
على الرغم من أن كوننا قد يبدو مستقرًا، حيث كان موجودًا منذ 13.7 مليار سنة، إلا أن العديد من التجارب تشير إلى أنه في خطر – المشي على حافة منحدر خطير للغاية. ويعود الأمر كله إلى عدم استقرار جسيم أساسي واحد: بوزون هيغز.
في بحث جديد قمت به أنا وزملائي، والذي تم قبوله للنشر في مجلة Physical Letters B، أظهرنا أن بعض نماذج الكون المبكر، تلك التي تتضمن أجسامًا تسمى الثقوب السوداء البدائية الخفيفة، من غير المرجح أن تكون صحيحة لأنها قد تثير هيغز. البوزون لإنهاء الكون الآن.
بوزون هيغز مسؤول عن كتلة وتفاعلات جميع الجسيمات التي نعرفها. وذلك لأن كتل الجسيمات هي نتيجة لتفاعل الجسيمات الأولية مع حقل يسمى حقل هيغز. ولأن بوزون هيغز موجود، فنحن نعلم أن المجال موجود.
يمكنك أن تفكر في هذا الحقل باعتباره حمامًا مائيًا ساكنًا تمامًا نقع فيه. وله خصائص متطابقة في جميع أنحاء الكون بأكمله. وهذا يعني أننا نلاحظ نفس الكتل والتفاعلات في جميع أنحاء الكون. وقد سمح لنا هذا التوحيد بمراقبة ووصف نفس الفيزياء على مدى عدة آلاف من السنين (عادةً ما ينظر علماء الفلك إلى الوراء في الزمن).
لكن من غير المرجح أن يكون حقل هيغز في أدنى حالة طاقة ممكنة. وهذا يعني أنه يمكن أن يغير حالته نظريًا، وينخفض إلى حالة طاقة أقل في موقع معين. ولكن إذا حدث ذلك، فإنه سيغير قوانين الفيزياء بشكل كبير.
مثل هذا التغيير سيمثل ما يسميه الفيزيائيون مرحلة انتقالية. وهذا ما يحدث عندما يتحول الماء إلى بخار، مما يشكل فقاعات في هذه العملية. وبالمثل، فإن انتقال الطور في مجال هيغز من شأنه أن يخلق فقاعات منخفضة الطاقة من الفضاء مع فيزياء مختلفة تمامًا فيها.
في مثل هذه الفقاعة، ستتغير كتلة الإلكترونات فجأة، وكذلك ستتغير تفاعلاتها مع الجسيمات الأخرى. البروتونات والنيوترونات – التي تشكل النواة الذرية وتتكون من الكواركات – سوف تتفكك فجأة. في الأساس، من المحتمل ألا يتمكن أي شخص يعاني من مثل هذا التغيير من الإبلاغ عنه.
خطر مستمر
وتشير القياسات الأخيرة لكتل الجسيمات من مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سيرن إلى أن مثل هذا الحدث قد يكون ممكنا. لكن لا داعي للذعر؛ قد يحدث هذا فقط بعد بضعة آلاف مليار مليار سنة من تقاعدنا. ولهذا السبب، يقال عادة في أروقة أقسام فيزياء الجسيمات أن الكون ليس غير مستقر، بل هو “مستقر للغاية”، لأن نهاية العالم لن تحدث في أي وقت قريب.
لتكوين فقاعة، يحتاج مجال هيغز إلى سبب وجيه. بسبب ميكانيكا الكم، النظرية التي تحكم الكون المصغر للذرات والجسيمات، فإن طاقة هيغز تتقلب دائمًا. ومن الممكن إحصائيًا (على الرغم من أنه غير مرجح، ولهذا السبب يستغرق الكثير من الوقت) أن يشكل هيجز فقاعة من وقت لآخر.
ومع ذلك، فإن القصة مختلفة في وجود مصادر طاقة خارجية مثل مجالات الجاذبية القوية أو البلازما الساخنة (نوع من المادة يتكون من جسيمات مشحونة): يمكن للمجال استعارة هذه الطاقة لتشكيل فقاعات بسهولة أكبر.
لذلك، على الرغم من عدم وجود سبب لتوقع أن يشكل مجال هيجز العديد من الفقاعات اليوم، فإن السؤال الكبير في سياق علم الكونيات هو ما إذا كانت البيئات المتطرفة بعد وقت قصير من الانفجار الكبير قد تسببت في مثل هذه الفقاعات.
ومع ذلك، عندما كان الكون حارًا جدًا، على الرغم من توفر الطاقة للمساعدة في تكوين فقاعات هيغز، أدت التأثيرات الحرارية أيضًا إلى استقرار هيغز عن طريق تعديل خصائصه الكمومية. ولذلك، فإن هذه الحرارة لا يمكن أن تؤدي إلى نهاية الكون، وربما هذا هو السبب وراء بقائنا هنا.
الثقوب السوداء البدائية
في بحثنا الجديد، أظهرنا أن هناك مصدرًا واحدًا للحرارة، والذي من شأنه أن يسبب مثل هذه الفقاعات باستمرار (بدون التأثيرات الحرارية المستقرة التي شوهدت في الأيام الأولى بعد الانفجار الكبير). هذه هي الثقوب السوداء البدائية، وهي نوع من الثقوب السوداء التي ظهرت في بداية الكون نتيجة لانهيار مناطق شديدة الكثافة في الزمكان.
إن وجود مثل هذه الثقوب السوداء الخفيفة هو تنبؤ للعديد من النماذج النظرية التي تصف تطور الكون بعد وقت قصير من الانفجار الكبير. يتضمن ذلك بعض نماذج التضخم، مما يشير إلى أن الكون انفجر بشكل كبير في الحجم بعد الانفجار الكبير.
ومع ذلك، فإن إثبات هذا الوجود يأتي مع تحذير كبير: فقد أثبت ستيفن هوكينج في السبعينيات أنه بسبب ميكانيكا الكم، تتبخر الثقوب السوداء ببطء عن طريق انبعاث الإشعاع عبر أفق الحدث (وهي النقطة التي لا يمكن حتى للضوء الهروب منها).
هوكوأظهرت الدراسة أن الثقوب السوداء تتصرف مثل مصادر الحرارة في الكون، حيث تتناسب درجة حرارتها عكسيا مع كتلتها. وهذا يعني أن الثقوب السوداء الخفيفة أكثر سخونة وتتبخر بسرعة أكبر من الثقوب السوداء الضخمة.
على وجه الخصوص، إذا كانت الثقوب السوداء البدائية أخف من بضعة آلاف مليارات الجرام التي تشكلت في الكون المبكر (أصغر بـ 10 مليارات مرة من كتلة القمر)، كما تشير العديد من النماذج، فإنها قد تتبخر الآن.
في وجود مجال هيغز، تتصرف مثل هذه الأجسام مثل الشوائب الموجودة في المشروبات الغازية، مما يساعد السائل على تكوين فقاعات غازية من خلال المساهمة في طاقته عبر تأثير الجاذبية (بسبب كتلة الثقب الأسود) ودرجة الحرارة المحيطة ( بسبب إشعاع هوكينج).
عندما تتبخر الثقوب السوداء البدائية، فإنها تقوم بتسخين الكون محليًا. سوف تتطور في وسط النقاط الساخنة التي يمكن أن تكون أكثر سخونة بكثير من الكون المحيط بها، ولكنها لا تزال أكثر برودة من درجة حرارة هوكينج النموذجية. ما أظهرناه، باستخدام مزيج من الحسابات التحليلية والمحاكاة الرقمية، هو أنه بسبب وجود هذه النقاط الساخنة، فإنها ستتسبب باستمرار في ظهور فقاعة مجال هيجز.
لكننا ما زلنا هنا. وهذا يعني أن مثل هذه الأشياء من غير المرجح أن تكون موجودة على الإطلاق. في الواقع، يجب علينا استبعاد جميع السيناريوهات الكونية التي تتنبأ بوجودها.
هذا بالطبع ما لم نكتشف بعض الأدلة على وجودها في الماضي في الإشعاع القديم أو موجات الجاذبية. إذا فعلنا ذلك، فقد يكون ذلك أكثر إثارة. وهذا من شأنه أن يشير إلى أن هناك شيئًا لا نعرفه عن هيغز؛ شيء يحميها من الفقاقيع في وجود ثقوب سوداء بدائية متبخرة. وقد تكون هذه في الواقع جسيمات أو قوى جديدة تمامًا.
وفي كلتا الحالتين، من الواضح أنه لا يزال لدينا الكثير لنكتشفه حول الكون على أصغر وأكبر المقاييس.
المصدر
لوسيان هورتيه، باحث مشارك في مرحلة ما بعد الدكتوراه، كينجز كوليدج لندن
