Zabawa w fizykę wysokich energii

Technologie.Nauka

Niespostrzeżenie dla wielu z nas, pojęcie próżni stało się w fizyce współczesnej kategorią fundamentalną.Dramatycznie można powiedzieć, że przyszłość naszego wszechświata zależy od tego, co będzie się działo ze stanem próżni wszechświata.

Jeżeli napisałem "stan próżni", to tym samym czytelnik już nie może rozumieć próżni, jako pustki, jako "nic" ,ryzykuje bowiem bezsensowne stwierdzenia , np. "stan nic jest taki, a taki".

Przez "stan próżni" rozumiem obecność w przestrzeni :minimalnej energii pól kwantowych, a także działanie w tej przestrzeni różnych stałych natury, lub praw fizyki.

Jest to nawiązanie do idei Petera Higgsa [1] o polu skalarnym z niezerową energią, polu odpowiedzialnym za inflację, oraz istnienie masy cząstek. Stan pola Higgsa jest stanem próżni wszechświata, a jego nośnikami/kwantami są bozony Higgsa.

W 1980 roku dwaj fizycy Sidney Coleman i Frank de Luccia, w pracy [2] postulują istnienie dwóch różnych stanów próżni wszechświata : próżnia fałszywa i próżnia prawdziwa.W tym pierwszym jest wyższa energia próżni,w drugim-niższa.

Jeżeli wszechświat jest w stanie "prawdziwej próżni", to jest stabilny,trwały.Coleman i de Luccia po zbadaniu teoretycznym stanu próżni wszechświata,doszli do wniosku, że prawdopodobnie jesteśmy w fałszywej próżni,czyli nasz wszechświat jest metastabilny : względnie trwały, stabilny przez pewien czas, lub w pewnym zakresie spełnionych warunków.Tym samym w każdej chwili może wystąpić zanik podciśnienia próżni Higgsa.

Sytuacja jest znacznie poważniejsza, gdyż analizy matematyczne przejścia wszechświata z fałszywej prózni do prawdziwej, dają apokaliptyczny obraz: następuje gwałtowne zniknięcie pola Higgsa ( ang. "vacuum decay") czyli naszego wszechświata i pojawienie się przestrzeni z innymi ,nieznanymi prawami fizyki.Wszechświat nasz jako fałszywa próznia, ekspanduje niczym bąbel z szybkością światła,ściana kulista bąbla niesie nieskończenie wielkie energie, zamieniając wszystko w niebyt.

Możliwe , że we wczesnym wszechświecie miał miejsce lokalnie, taki rozpad próżni.Obecnie wskazuje się na trzy katalizatory(sposoby,drogi) przejścia ze stanu fałszywej próżni do prawdziwej.

Pierwszy, to efekt tunelowania kwantowego nie związany z wysoką energią,,aby pokonać barierę energetyczną między fałszywa a prawdziwą próżnią. Jednak prawdopodobieństwo takiej natury przejścia pola Higgsa przez barierę oddzielającą dwa stany próżni, jest niezwykle małe.

Drugi , odkryty w 2015 roku przez zespół :P. Burda(Durham University), R. Gregory(Perimeter Institute, Waterloo) and I. Moss (Newcastle University) opiera się na opracowanej przez ten zespół teorii czarnych mikro-dziur przy uwzględnieniu efektu Hawkinga zwanego "parowaniem" czarnych dziur [4].

Analizując matematycznie potencjał próżni Higgsa w obecności mikro-czarnej dziury zauważono,że efekt Hawkinga mikro -czarnej dziury stymuluje zanik podciśnienia fałszywej próżni. i rozpad metastabilnej próżni ( fałszywej próżni) wielce dramatyczny i eksplozyjny.Mikro-czarna dziur staje się :

" ...smaller and smaller,but it evaporates faster and faster, eventually disappearing completely—possibly in a dramatic final explosion."

7 marca 2018 roku ten sam zespół badaczy (uzupełniony przez L.Cuspinera,Durham University), ) opublikował raport, w którym hipotezę o roli mikro czarnych dziur w ognistym rozdęciu i zawaleniu sie struktury wszechświata, wzbogacił hipotetycznym też przypuszczeniem, że rozpad fałszywej próżni katalizowany przez mikro-czarne dziury, zależy od wielkości dodatkowych wymiarów przestrzeni.

Jednak 15 września br.na scenie, gdzie biegł dramat eksplozyjnego skonania naszego wszechświata pojawiła się para utalentowanych kosmologów-mistrz i uczennica-prof.Robert McNees i dr Katherine Mack z pracą [6], w której teoretycznie pokazują,że :

1.do powstania małej czarnej dziury nie wystarcza energia rzędu 10^12 GeV( taką energią operuje LHC), a jest potrzebna energia rzędu milion razy większa (1o^18 GeV).

Tym samym, wywołanie pożaru wszechświata przez fizyków ziemskich nie jest złowieszczą przepowiednią , opartą na racjonalnych argumentach, lecz przypomina straszenie małych dzieci odpowiednio dobranymi fragmentami opowieści Grimma.

2.Duet Katherine Mack i Robert McNees przypomnieli, że w przestrzeni kosmicznej, w aktach zderzeń hiper-energetycznych promieni kosmicznych (efekt GZK) z cząstkami ośrodka, powstają mikro-czarne dziury ,a jednak brak procesu rozpadu fałszywej próżni!Analiza matematyczna tej zagadki prowadzi do hipotezy: powstająca mikro-czarna dziura może być zarodnikiem rozpadu fałszywej próżni, jeśli wszechświat ma więcej wymiarów niż 3D+1 !

Zespół znalazł matematycznie ,że jeśli istnieją dodatkowe wymiary przestrzeni to są zwinięte do rozmiarów femtometra i uniemożliwiają wydarzenie apokaliptyczne ognistego wybuchu naszego wszechświata.

Literatura

[1]P.W.Higgs, "Broken symmetries, massless particles and gauge fields". Physics Letters. 12 (2): ,s. 32–201, 1964

[2]S.Coleman,F.de Luccia, "Gravitational effects on and of vacuum decay",Phys.Rev.D 21,s.3305-3015,15.06.1980

[3] P. Burda, R. Gregory and I. Moss, “The fate of the Higgs vacuum,” Journal of High Energy Physics 1606,25.06.2016, arXiv:1601.02152 [hepth].

[4] P. Burda, R. Gregory and I. Moss, “Vacuum metastability with black holes,” Journal of High Energy Physics 1508, 114 ,24.08.2015,arXiv:1503.07331v2 [hep-th]

[5] L. Cuspinera, R. Gregory, K. Marshall and I. G. Moss,“Higgs Vacuum Decay from Particle Collisions?,”arXiv:1803.02871 [hep-th],7.03.2018

[6}Katherine J. Mack, Robert McNees,"Bounds on extra dimensions from micro black holes in the context of the metastable Higgs vacuum," 15.09.2018,arXiv:1809.05089v1 [hep-ph]