Para algunos el descubrimiento del bosón de Higgs ha sido un jarro de agua fría, para otros una diversión sin límite. Como es una partícula escalar (de espín cero) y se han propuesto campos escalares como solución a muchos de los problemas actuales (energía oscura, materia oscura, etc.), extender la física del campo de Higgs para que se comporte en cierto régimen como uno de esos campos es fácil y además se publica fácil en muchas revistas. Por ello, muchos medios publican noticias que afirman que el bosón de Higgs puede explicar la energía oscura, la materia oscura, la inflación cósmica, etc. Hay que tener cuidado con estas noticias. El bosón de Higgs está hasta en la sopa, pero se trata de ideas especulativas que extienden la física del campo de Higgs más allá de lo que está demostrado y los autores de estos trabajos no estudian todas las consecuencias de sus teorías, por lo que en muchos casos contradicen la física conocida (al centrarse en explicar cierto fenómeno, olvidan que su idea tiene consecuencias en otros fenómenos en apariencia alejados). Permíteme poner unos ejemplos de actualidad.
La explicación más sencilla a la inflación cósmica es la existencia de un campo escalar llamado inflatón. Como el Higgs es un campo escalar, se puede acoplar a la gravedad usando un acoplo “no mínimo” (es decir, añadiendo al lagrangiano un término 
, donde 
es el escalar de Ricci, 
es el doblete del Higgs, 
es el determinante de la métrica 
y la constante de acoplo es 
; un valor razonable es 
, compatible con la mejor estimación actual que es 
según Michael Atkins, Xavier Calmet, “Bounds on the Nonminimal Coupling of the Higgs Boson to Gravity,” Phys. Rev. Lett 110: 051301 (2013), arXiv:1211.0281 [hep-ph]). Utilizando una teoría efectiva, la ecuación del grupo de renormalización hasta NNLO nos indica que los valores actuales de la masa del Higgs y del quark top (ver figura) están a entre dos y tres sigmas de los valores necesarios para que el Higgs pueda actuar como inflatón. Esta posibilidad no se puede excluir, pero no está favorecida por los datos del LHC en el CERN. Los detalles en Alberto Salvio, “Higgs Inflation at NNLO after the Boson Discovery,” FTUAM-13-22, IFT-UAM/CSIC-13-089, arXiv:1308.2244 [hep-ph], Subm. 9 Aug 2013.
, donde es el escalar de Ricci, es el doblete del Higgs, es el determinante de la métrica y la constante de acoplo es ; un valor razonable es , compatible con la mejor estimación actual que es según Michael Atkins, Xavier Calmet, “Bounds on the Nonminimal Coupling of the Higgs Boson to Gravity,” Phys. Rev. Lett 110: 051301 (2013), arXiv:1211.0281 [hep-ph]). Utilizando una teoría efectiva, la ecuación del grupo de renormalización hasta NNLO nos indica que los valores actuales de la masa del Higgs y del quark top (ver figura) están a entre dos y tres sigmas de los valores necesarios para que el Higgs pueda actuar como inflatón. Esta posibilidad no se puede excluir, pero no está favorecida por los datos del LHC en el CERN. Los detalles en Alberto Salvio, “Higgs Inflation at NNLO after the Boson Discovery,” FTUAM-13-22, IFT-UAM/CSIC-13-089, arXiv:1308.2244 [hep-ph], Subm. 9 Aug 2013. 
El bosón de Higgs podría estar asociado a una explicación del valor no nulo pero muy pequeño de la constante cosmológica que explica la energía oscura. Lawrence Krauss (Univ. Estatal Arizona) y James Dent (Univ. Louisiana) proponen la existencia de un nuevo campo escalar (más allá del modelo estándar) acoplado al campo de Higgs mediante un mecanismo tipo balancín (see-saw) al que llaman Higgs-saw; la energía del vacío de este nuevo campo crece cuando decrece la del Higgs y viceversa, de tal forma que el vacío a 246 GeV del campo de Higgs implica un vacío con una energía tan pequeña como la necesaria para explicar la energía oscura. ¿Por qué no se han observado las partículas escalares asociadas a este nuevo campo? Porque su masa está en la escala GUT, inalcanzable en los experimentos. El artículo técnico es Lawrence M. Krauss, James B. Dent, “Higgs Seesaw Mechanism as a Source for Dark Energy,” Phys. Rev. Lett. 111: 061802 (2013), arXiv:1306.3239 [hep-ph]). Recomiendo leer a Lisa Grossman, “Dark energy could be the offspring of the Higgs boson,” New Scientist, 14 Aug 2013, y también Lubos Motl, “Krauss-Dent small C.C. from a Higgs seesaw,” TRF, Aug 16, 2013.
El problema con esta idea (en apariencia muy sugerente) es que la masa de la nueva partícula escalar debe ser muy pequeña para explicar la energía oscura. Estas nuevas partículas no han sido observadas. Los experimentos del LHC permiten descartar la existencia de cualquier partícula escalar con una masa menor de la mitad de la masa del Higgs (menor de unos 63 GeV). De hecho, también descartan que la materia oscura sea debida a una partícula escalar (como el axión) de baja masa. Nos lo cuenta, por ejemplo, Dejan Stojkovic, “Implications of the Higgs discovery for gravity and cosmology,” arXiv:1305.6960 [gr-qc], Subm. 29 May 2013.
El acoplo del Higgs a la gravedad (
) también conduce a la predicción de la existencia de monopolos magnéticos. André Fuzfa y sus colegas los llaman monopolos de Brout-Englert-Higgs y predicen que debe existir un fondo cósmico de monopolos magnéticos resultado de la escalarización espontánea del vacío en los primeros instantes del Big Bang. Por el momento no hay ningún indicio de la existencia de estos monopolos, por lo que los autores de este estudio asumen una masa de al menos 10 TeV (compatible con un valor de (
). El artículo técnico es Andre Fuzfa, Massimiliano Rinaldi,y and Sandrine Schlogelz, “Brout-Englert-Higgs Monopoles,” arXiv:1305.2640 [gr-qc], Subm. Aug 22, 2013.
) también conduce a la predicción de la existencia de monopolos magnéticos. André Fuzfa y sus colegas los llaman monopolos de Brout-Englert-Higgs y predicen que debe existir un fondo cósmico de monopolos magnéticos resultado de la escalarización espontánea del vacío en los primeros instantes del Big Bang. Por el momento no hay ningún indicio de la existencia de estos monopolos, por lo que los autores de este estudio asumen una masa de al menos 10 TeV (compatible con un valor de (). El artículo técnico es Andre Fuzfa, Massimiliano Rinaldi,y and Sandrine Schlogelz, “Brout-Englert-Higgs Monopoles,” arXiv:1305.2640 [gr-qc], Subm. Aug 22, 2013. 
César Tomé, “Los monos mecanógrafos contra la evolución,” Zientziakultura, 23 Ago 2013, nos hablaba del cerebro de Boltzmann en el contexto de la teoría de la evolución. Como no podía ser menos, el bosón de Higgs también está relacionado con el cerebro de Boltzmann, pero en un contexto cosmológico. Nos lo cuenta el padre de esta idea Sean M. Carroll en su blog “The Higgs Boson vs. Boltzmann Brains,” Aug 22, 2013, siendo el artículo técnico Kimberly K. Boddy, Sean M. Carroll, “Can the Higgs Boson Save Us From the Menace of the Boltzmann Brains?,” arXiv:1308.4686 [hep-ph], Subm. 21 Aug 2013. Recomiendo la lectura de este artículo y me permito un resumen muy breve de su contenido para incentivarla.
César decía que “una infinidad de monos con un tiempo infinito podrían haber sido los autores de los libros de la famosa Biblioteca de Babel, del cuento homónimo de Jorge Luis Borges.” El modelo cosmológico de consenso ΛCDM, donde ”Λ” representa la constante cosmológica y “CDM” son las siglas en inglés de Materia Oscura Fría, también tiene el problema del cerebro de Boltzmann. Si la expansión acelerada del universo es eterna, en cierto momento habrá fluctuaciones aleatorias que producirán de forma espontánea objetos tan complicados como un cerebro. Esto es inaceptable en una teoría física razonable. La solución a este problema es la metaestabilidad del vacío del campo de Higgs. El vacío del campo de Higgs, es decir, el vacío del universo actual, puede ser estable, metaestable o inestable. Si es inestable se producirá una transición de fase a otro valor de vacío (si es que existe) o el universo se desintegrará. Si es estable el universo será eterno pero tendremos el problema del cerebro de Boltzmann. La metaestabilidad puede evitar ambos problemas.
Esta figura muestra la estabilidad del campo de Higgs en función de su masa y de la masa del quark top. Si el campo de Higgs es estable (debajo de la línea azul de la figura), tenemos el problema del cerebro de Boltzmann. Si es metaestable (entre la línea azul y la roja), el vacío se volverá inestable y se formarán burbujas en el campo de Higgs, que se expanderán a la velocidad de la luz, pero estas burbujas no llegarán a tocarse, con lo que el universo sobrevivirá (los detalles son conocidos desde hace mucho tiempo, p.ej. Sidney Coleman, “Fate of the false vacuum: Semiclassical theory,” Physical Review D 15: 2929-2936, 15 May 1977 [pdf gratis]). Y si es inestable (por encima de la línea roja), las burbujas se forman tan rápido que llegan a tocarse y el universo se desintegraría; bueno en realidad este caso no se puede dar porque haciendo los cálculos resulta que el universo ya tendría que haberse desintegrado (y no podrías estar leyendo esta entrada).
Según los datos de ATLAS y CMS en el LHC la masa del Higgs es 125,66 ± 0,34 GeV, y la del quark top es de 173,20 ± 0,87 GeV, por tanto el campo de Higgs es “metaestable,” en apariencia. La razón es que la masa del quark top se puede definir de varias formas diferentes y según el reciente artículo de CMS Collaboration, “Determination of the top-quark pole mass and strong coupling constant from the ttbar production cross section in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV,” arXiv:1307.1907 [hep-ex], Subm. 7 Jul 2013, en los estudios de la estabilidad del campo de Higgs el valor que hay que utilizar para la masa del quark top es 176,7 ± 3,6 GeV. Por tanto no sabemos aún si estamos en la región de estabilidad o en la de metaestabilidad.
Si estamos en la región de metaestabilidad, ¿qué es lo más seguro para nuestro universo? Según Carroll justo el borde por debajo de la línea roja, es decir, cuando el quark top tiene una masa de 178 GeV. En dicho caso se puede estimar que nuestro vacío actual tendrá una vida de unos 20 mil millones de años (y ya llevamos unos 13,8 mil millones). Dentro de unos miles de millones de años se producirá la transición a un nuevo vacío, pero el universo sobrevivirá a la transición (como es obvio nosotros y el resto del contenido del universo no sobrevivirán). Lo curioso es que el universo podrá ser eterno ya que renacerá de sus cenizas cual ave Fénix.
Por supuesto, en estas estimaciones se considera que no existe nueva física a altas energías (escala GUT o escala de Planck) que altere estas estimaciones. En mi opinión hay muchos indicios de que hay nueva física a altas energías (al menos en la escala de GUT), luego todas las conclusiones de Carroll son pura especulación. Lo que no quita que sean muy sugerentes.
Según los datos de ATLAS y CMS en el LHC la masa del Higgs es 125,66 ± 0,34 GeV, y la del quark top es de 173,20 ± 0,87 GeV, por tanto el campo de Higgs es “metaestable,” en apariencia. La razón es que la masa del quark top se puede definir de varias formas diferentes y según el reciente artículo de CMS Collaboration, “Determination of the top-quark pole mass and strong coupling constant from the ttbar production cross section in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV,” arXiv:1307.1907 [hep-ex], Subm. 7 Jul 2013, en los estudios de la estabilidad del campo de Higgs el valor que hay que utilizar para la masa del quark top es 176,7 ± 3,6 GeV. Por tanto no sabemos aún si estamos en la región de estabilidad o en la de metaestabilidad.
Si estamos en la región de metaestabilidad, ¿qué es lo más seguro para nuestro universo? Según Carroll justo el borde por debajo de la línea roja, es decir, cuando el quark top tiene una masa de 178 GeV. En dicho caso se puede estimar que nuestro vacío actual tendrá una vida de unos 20 mil millones de años (y ya llevamos unos 13,8 mil millones). Dentro de unos miles de millones de años se producirá la transición a un nuevo vacío, pero el universo sobrevivirá a la transición (como es obvio nosotros y el resto del contenido del universo no sobrevivirán). Lo curioso es que el universo podrá ser eterno ya que renacerá de sus cenizas cual ave Fénix.
Por supuesto, en estas estimaciones se considera que no existe nueva física a altas energías (escala GUT o escala de Planck) que altere estas estimaciones. En mi opinión hay muchos indicios de que hay nueva física a altas energías (al menos en la escala de GUT), luego todas las conclusiones de Carroll son pura especulación. Lo que no quita que sean muy sugerentes.
Francis (th)E mule Science's News
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