Peluruhan vakum palsu

Jika ruang hampa tidak berada pada energi terendahnya, gelembung vakum sejati bisa tumbuh secepat cahaya: apa artinya, bagaimana itu bisa bermula, dan mengapa itu tidak berbahaya

Sebuah pengandaian: fisika mengizinkannya di atas kertas, tetapi belum ada yang pernah melihatnya. Semuanya mengikuti teori saat ini.

Tonton dalam 3D

Langkah demi langkah

Ruang hampa tidak kosong

Partikel memperoleh massanya dari seberapa kuat mereka merasakan nilai itu. Elektron merasakannya lemah dan ringan; quark top merasakannya paling kuat dan beratnya hampir sama dengan satu atom emas. Ubah nilainya, maka setiap massa ikut berubah, dan bersama massa berubah pula ukuran atom dan seluruh kimia.

Boson Higgs, yang ditemukan di CERN pada 2012, adalah riak di medan ini. Kilau ungu itu digambar: medannya sendiri tak bisa dilihat dan akan tampak sama di mana-mana.

Bola di dalam cekungan

Bayangkan energi medan sebagai bentang alam dan vakum kita sebagai bola yang diam di sebuah cekungan. Jika ada lembah yang lebih dalam di balik bukit, vakum kita adalah vakum palsu: stabil, tetapi bukan yang terendah.

Bola di cekungan stabil terhadap dorongan kecil: dorong sedikit dan ia menggelinding kembali. Tetapi jika tanah di balik bukit turun lebih rendah lagi, cekungan itu hanya metastabil, seperti air yang sangat dingin, yang tetap cair di bawah titik beku sampai sesuatu memicu es. Fisikawan menyebut keadaan seperti itu vakum palsu, dan lembah terendah vakum sejati.

Dua massa terukur

Degrassi dan rekan-rekannya menunjukkan ini pada 2012, tahun ditemukannya boson Higgs, dan penelitian berikutnya sependapat. Massanya adalah rata-rata Particle Data Group dari pengukuran ATLAS, CMS, dan Tevatron. Nilainya dekat dengan garis batas, yang oleh sebagian fisikawan dianggap petunjuk tersendiri; quark top yang jauh lebih berat akan membuat vakum meluruh jauh sebelum sekarang.

Ini belum pasti. Massa quark top sulit dikaitkan dengan angka yang dibutuhkan teori, dan kekuatan gaya kuat menambah keraguan. Andreassen, Frost, dan Schwartz menghitung pada 2018 bahwa untuk memastikan vakum tidak stabil, massa quark top harus diketahui hingga ketelitian 250 MeV.

Bagaimana itu bisa bermula

Fisika kuantum membuat benda bisa melewati penghalang yang tak bisa didakinya, seperti partikel alfa yang lolos dari inti atom. Bagi vakum, artinya wilayah kecil bisa melompat ke lembah yang lebih rendah tanpa sebab apa pun. Gelembung yang terlalu kecil menyusut lagi; gelembung yang sedikit di atas ukuran kritis memperoleh energi dari bagian dalamnya lebih banyak daripada yang dibutuhkan dindingnya, lalu tumbuh.

Angka itu hanya berlaku jika Model Standar adalah keseluruhan cerita hingga energi yang sangat besar. Partikel yang belum dikenal bisa membuat vakum stabil, atau memperpendek umurnya. Beberapa ahli teori bertanya apakah lubang hitam kecil bisa memicu gelembung (Burda, Gregory, dan Moss, 2015), gagasan yang belum punya bukti ke arah mana pun.

Tanpa peringatan

Begitu gelembung cukup besar untuk tumbuh, energi yang dilepaskan saat vakum turun lebih rendah mendorong dindingnya makin cepat, dan dalam waktu sangat singkat ia bergerak praktis secepat cahaya. Dilihat dari luar, gelembung tumbuh satu tahun cahaya setiap tahun: melintasi 100.000 tahun cahaya Bima Sakti dalam sekitar 100.000 tahun.

Cahaya dari kelahiran gelembung hanya melaju sedikit di depan dindingnya, jadi tak ada yang terlihat sampai ia tiba. Gambar ini menampilkan gelembung dari luar seperti yang tak mungkin dilihat mata: kenyataannya, bintang-bintang di depannya akan tetap bersinar tanpa gangguan sampai saat dinding tiba. Ia akan melintasi tubuh manusia dalam beberapa sepermiliar detik, jauh lebih cepat daripada sinyal saraf mana pun, jadi tak seorang pun akan merasakannya.

Di dalam gelembung

Di dalamnya, medan Higgs akan bernilai jauh lebih besar, dan massa partikel serta gaya di antara mereka ikut berubah. Atom, dan karena itu kimia dan kehidupan, tidak bisa ada di sana.

Setiap partikel yang memperoleh massa dari medan Higgs akan jauh lebih berat di dalam gelembung, dan keseimbangan gaya yang menyatukan atom akan hilang. Seperti apa hukum di sana secara rinci tidak diketahui: Model Standar tidak bisa diandalkan pada nilai medan seperti itu. Yang jelas, materi penyusun tubuh kita tidak akan selamat dari dinding itu.

Gravitasi memperburuknya. Vakum sejati lebih rendah daripada vakum kita, yang energinya hampir tepat nol, jadi energinya akan di bawah nol, dan Coleman serta De Luccia menunjukkan pada 1980 bahwa ruang di dalam gelembung seperti itu lalu akan runtuh ke dalam dirinya sendiri. Ungu gelap di dalamnya digambar: tak ada yang tahu seperti apa rupanya, kalaupun ada.

Bisakah akselerator memicunya?

Tidak. Sinar kosmik menghantam Bulan, planet-planet, dan bintang-bintang dengan energi jauh lebih besar daripada yang bisa dicapai akselerator mana pun, dan sudah begitu selama miliaran tahun. Vakumnya masih ada.

Piet Hut dan Martin Rees mengajukan argumen ini pada 1983: jika tumbukan pada energi seperti itu bisa memicu gelembung, satu gelembung pasti sudah terbentuk sejak lama di suatu tempat di masa lalu kita, dan kita tidak akan ada di sini. Tinjauan keselamatan LHC tahun 2008 sampai pada jawaban yang sama. Akselerator meniru di laboratorium apa yang dilakukan alam setiap hari dengan jauh lebih dahsyat.

Apakah ini nyata?

Tak ada yang tahu. Vakum kita mungkin memang yang terendah: jawabannya bergantung pada massa tepat quark top dan pada fisika di luar Model Standar, yang kita tahu pasti ada.

Model Standar tidak mencakup materi gelap, gravitasi pada energi tertinggi, dan banyak lagi. Partikel baru pada energi tinggi bisa mengubah bentuk energi medan Higgs, membuat vakum kita stabil, atau kurang stabil. Pengukuran quark top yang lebih tajam, di LHC dan di akselerator masa depan, akan mempersempit jawabannya.