Decaimiento del falso vacío

Si el espacio vacío no está en su energía más baja, una burbuja de vacío verdadero podría crecer a la velocidad de la luz: qué significa, cómo podría empezar y por qué no es un peligro

Una hipótesis: la física lo permite sobre el papel, pero nadie lo ha visto nunca. Todo sigue la teoría tal como es hoy.

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Paso a paso

El espacio vacío no está vacío

Las partículas obtienen su masa según lo fuerte que sienten ese valor. El electrón lo siente débilmente y es ligero; el quark top lo siente más que ninguna y pesa casi tanto como un átomo de oro. Si cambia el valor, cambian con él todas las masas, y con las masas, el tamaño de los átomos y toda la química.

El bosón de Higgs, hallado en el CERN en 2012, es una onda en este campo. El brillo violeta es un dibujo: el campo en sí no se puede ver y tendría el mismo aspecto en todas partes.

Una bola en un hoyo

Imagina la energía del campo como un paisaje y nuestro vacío como una bola en reposo en un hoyo. Si tras la colina hay un valle más profundo, el nuestro es un falso vacío: estable, pero no el más bajo.

Una bola en un hoyo resiste pequeños empujones: si la empujas un poco, vuelve rodando. Pero si el terreno tras la colina baja aún más, el hoyo es solo metaestable, como el agua sobreenfriada, que sigue líquida bajo cero hasta que algo inicia el hielo. Los físicos llaman a ese estado falso vacío, y al valle más bajo, vacío verdadero.

Dos masas medidas

Degrassi y sus colegas lo mostraron en 2012, el año en que se halló el bosón de Higgs, y trabajos posteriores coinciden. Las masas son los promedios del Particle Data Group de las mediciones de ATLAS, CMS y el Tevatrón. Están cerca de la línea, lo que algunos físicos ven como una pista en sí; un quark top mucho más pesado habría hecho decaer el vacío mucho antes de ahora.

No es seguro. Es difícil relacionar la masa del quark top con el número que necesita la teoría, y la intensidad de la fuerza fuerte añade dudas. Andreassen, Frost y Schwartz calcularon en 2018 que descartar con certeza un vacío estable exigiría conocer la masa del quark top con un margen de 250 MeV.

Cómo podría empezar

La física cuántica permite cruzar barreras que no se podrían escalar, como cuando una partícula alfa escapa de un núcleo. Para el vacío significa que una pequeña región podría saltar al valle inferior sin causa alguna. Una burbuja demasiado pequeña vuelve a encogerse; una apenas mayor que un tamaño crítico gana más energía de su interior de la que le cuesta su pared, y crece.

Esa cifra vale solo si el Modelo Estándar es toda la historia hasta energías enormes. Partículas desconocidas podrían hacer estable el vacío o acortar su vida. Algunos teóricos se han preguntado si agujeros negros diminutos podrían sembrar burbujas (Burda, Gregory y Moss, 2015), una idea sin pruebas a favor ni en contra.

Sin aviso

Una vez que una burbuja es lo bastante grande para crecer, la energía liberada al bajar el vacío empuja su pared cada vez más rápido, y en un tiempo ínfimo se mueve prácticamente a la velocidad de la luz. Vista desde fuera, la burbuja crece un año luz por año: atraviesa los 100 000 años luz de la Vía Láctea en unos 100 000 años.

La luz del nacimiento de la burbuja viaja apenas por delante de su pared, así que no hay nada que ver hasta que está aquí. La imagen muestra la burbuja desde fuera como ningún ojo podría: en realidad, las estrellas que tiene delante seguirían brillando tranquilas hasta el instante en que llegara la pared. Cruzaría a una persona en unas pocas milmillonésimas de segundo, mucho más rápido de lo que cualquier nervio puede transmitir una señal, así que nadie lo sentiría.

Dentro de la burbuja

Dentro, el campo de Higgs tendría un valor muchísimo mayor, y las masas de las partículas y las fuerzas entre ellas cambiarían con él. Los átomos, y por tanto la química y la vida, no podrían existir allí.

Cada partícula que obtiene su masa del campo de Higgs pesaría muchísimo más dentro de la burbuja, y se perdería el equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos. No se sabe cómo serían allí las leyes en detalle: no se puede confiar en el Modelo Estándar con tales valores del campo. Lo que está claro es que la materia de la que estamos hechos no sobreviviría a la pared.

La gravedad lo empeora. El vacío verdadero está más abajo que el nuestro, cuya energía es casi exactamente cero, así que su energía sería negativa, y Coleman y De Luccia mostraron en 1980 que el espacio dentro de una burbuja así colapsaría sobre sí mismo. El violeta oscuro del interior es un dibujo: nadie sabe qué aspecto tendría, si es que tendría alguno.

¿Puede un colisionador crear una?

No. Los rayos cósmicos golpean la Luna, los planetas y las estrellas con mucha más energía de la que puede alcanzar cualquier colisionador, y lo hacen desde hace miles de millones de años. El vacío sigue aquí.

Piet Hut y Martin Rees plantearon este argumento en 1983: si colisiones a tales energías pudieran desencadenar una burbuja, se habría formado hace mucho en algún lugar de nuestro pasado, y no estaríamos aquí. La revisión de seguridad del LHC de 2008 llegó a la misma respuesta. Los colisionadores recrean en el laboratorio lo que la naturaleza hace con mucha más violencia cada día.

¿Es real?

Nadie lo sabe. Puede que nuestro vacío sea el más bajo después de todo: la respuesta depende de la masa exacta del quark top y de la física más allá del Modelo Estándar, que sabemos que debe existir.

El Modelo Estándar deja fuera la materia oscura, la gravedad a las energías más altas y mucho más. Nuevas partículas a altas energías podrían cambiar la forma de la energía del campo de Higgs y hacer nuestro vacío estable, o menos estable. Mediciones más precisas del quark top, en el LHC y en futuros colisionadores, acotarán la respuesta.