Decaimento do falso vácuo

Se o espaço vazio não estiver em sua energia mais baixa, uma bolha de vácuo verdadeiro poderia crescer à velocidade da luz: o que isso significa, como poderia começar e por que não é um perigo

Uma hipótese: a física permite no papel, mas ninguém nunca viu. Tudo segue a teoria como ela é hoje.

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Passo a passo

O espaço vazio não é vazio

As partículas ganham massa conforme a intensidade com que sentem esse valor. O elétron o sente fracamente e é leve; o quark top o sente mais do que todas e pesa quase tanto quanto um átomo de ouro. Mude o valor e todas as massas mudam junto, e com as massas mudam o tamanho dos átomos e toda a química.

O bóson de Higgs, encontrado no CERN em 2012, é uma ondulação nesse campo. O brilho violeta é desenhado: o campo em si não pode ser visto e teria a mesma aparência em toda parte.

Uma bola numa depressão

Imagine a energia do campo como uma paisagem e o nosso vácuo como uma bola parada numa depressão. Se além da colina houver um vale mais fundo, o nosso é um falso vácuo: estável, mas não o mais baixo.

Uma bola numa depressão resiste a pequenos empurrões: empurre-a um pouco e ela rola de volta. Mas se o terreno além da colina descer ainda mais, a depressão é apenas metaestável, como a água super-resfriada, que continua líquida abaixo do ponto de congelamento até que algo inicie o gelo. Os físicos chamam esse estado de falso vácuo, e o vale mais baixo de vácuo verdadeiro.

Duas massas medidas

Degrassi e colegas mostraram isso em 2012, o ano em que o bóson de Higgs foi encontrado, e trabalhos posteriores concordam. As massas são as médias do Particle Data Group das medições do ATLAS, do CMS e do Tevatron. Elas ficam perto da linha, o que alguns físicos veem como uma pista em si; um quark top muito mais pesado teria feito o vácuo decair muito antes de agora.

Não é certo. É difícil ligar a massa do quark top ao número de que a teoria precisa, e a intensidade da força forte acrescenta dúvida. Andreassen, Frost e Schwartz calcularam em 2018 que descartar com certeza um vácuo estável exigiria conhecer a massa do quark top com precisão de 250 MeV.

Como poderia começar

A física quântica permite atravessar barreiras que não poderiam ser escaladas, como quando uma partícula alfa escapa de um núcleo. Para o vácuo, isso significa que uma pequena região poderia saltar para o vale mais baixo sem causa nenhuma. Uma bolha pequena demais encolhe de novo; uma logo acima de um tamanho crítico ganha mais energia do seu interior do que sua parede custa, e cresce.

Esse número só vale se o Modelo Padrão for a história toda até energias enormes. Partículas desconhecidas poderiam tornar o vácuo estável ou encurtar sua vida. Alguns teóricos perguntaram se buracos negros minúsculos poderiam semear bolhas (Burda, Gregory e Moss, 2015), uma ideia sem evidência a favor ou contra.

Sem aviso

Quando uma bolha fica grande o bastante para crescer, a energia liberada pela queda do vácuo empurra sua parede cada vez mais rápido, e em pouquíssimo tempo ela se move praticamente à velocidade da luz. Vista de fora, a bolha cresce um ano-luz por ano: atravessa os 100.000 anos-luz da Via Láctea em cerca de 100.000 anos.

A luz do nascimento da bolha viaja só um pouco à frente da sua parede, então não há nada para ver até ela chegar. A imagem mostra a bolha de fora como nenhum olho poderia: na realidade, as estrelas à frente dela continuariam brilhando tranquilas até o instante em que a parede chegasse. Ela atravessaria uma pessoa em poucos bilionésimos de segundo, muito mais rápido do que qualquer nervo consegue transmitir um sinal, então ninguém sentiria nada.

Dentro da bolha

Lá dentro, o campo de Higgs teria um valor imensamente maior, e as massas das partículas e as forças entre elas mudariam junto. Átomos, e portanto a química e a vida, não poderiam existir ali.

Toda partícula que ganha massa do campo de Higgs pesaria enormemente mais dentro da bolha, e o equilíbrio de forças que mantém os átomos unidos se perderia. Não se sabe como seriam as leis ali em detalhe: não se pode confiar no Modelo Padrão com valores do campo assim. O que está claro é que a matéria de que somos feitos não sobreviveria à parede.

A gravidade piora as coisas. O vácuo verdadeiro fica mais baixo que o nosso, cuja energia é quase exatamente zero, então sua energia seria negativa, e Coleman e De Luccia mostraram em 1980 que o espaço dentro de uma bolha assim colapsaria sobre si mesmo. O violeta escuro do interior é desenhado: ninguém sabe que aparência teria, se é que teria alguma.

Um colisor pode criar uma?

Não. Raios cósmicos atingem a Lua, os planetas e as estrelas com muito mais energia do que qualquer colisor consegue alcançar, e fazem isso há bilhões de anos. O vácuo continua aqui.

Piet Hut e Martin Rees apresentaram esse argumento em 1983: se colisões nessas energias pudessem disparar uma bolha, uma já teria se formado há muito tempo em algum lugar do nosso passado, e não estaríamos aqui. A revisão de segurança do LHC de 2008 chegou à mesma resposta. Os colisores recriam no laboratório o que a natureza faz com muito mais violência todos os dias.

Isso é real?

Ninguém sabe. O nosso vácuo pode ser o mais baixo, afinal: a resposta depende da massa exata do quark top e da física além do Modelo Padrão, que sabemos que deve existir.

O Modelo Padrão deixa de fora a matéria escura, a gravidade nas energias mais altas e muito mais. Novas partículas em altas energias poderiam mudar a forma da energia do campo de Higgs, tornando o nosso vácuo estável, ou menos estável. Medições mais precisas do quark top, no LHC e em futuros colisores, vão estreitar a resposta.