L’Universo potrebbe restare stabile più a lungo grazie ai campi quantistici

Un modello matematico suggerisce che le interazioni tra i campi quantistici potrebbero rendere molto meno probabile il passaggio dell’Universo a uno stato energetico radicalmente diverso. Il fenomeno, chiamato dai ricercatori «blocco cosmico», non escluderebbe del tutto una transizione, ma potrebbe contribuire a spiegare perché l’Universo sia rimasto stabile.

Lo studio è stato condotto da un gruppo guidato dall’Università di Portsmouth, nel Regno Unito, e pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. La ricerca affronta una questione fondamentale: alcuni campi quantistici potrebbero trovarsi in uno stato che non è il più stabile possibile. La teoria quantistica dei campi descrive campi invisibili che permeano lo spazio e le cui vibrazioni si manifestano come particelle e materia. Come una biglia in una ciotola, un campo tende a raggiungere il livello energetico più basso; ma potrebbe esistere una «valle» ancora più profonda.

Il passaggio a quel livello inferiore potrebbe avvenire tramite il tunneling quantistico, un processo che consente a un sistema di cambiare stato anche senza superare la barriera energetica che lo separa da un altro stato. Il campo di Higgs, responsabile della massa delle particelle, tra cui gli elettroni, è uno dei campi che potrebbero trovarsi in un «falso vuoto»: uno stato apparentemente stabile, ma non il minimo energetico assoluto.

«In linea di principio, una transizione verso quel minimo più profondo porterebbe l’Universo in uno stato radicalmente diverso, nel quale la struttura della materia e le forze che la governano verrebbero alterate», afferma il fisico Robson Christie dell’Università di Portsmouth.

Per studiare il problema, i ricercatori hanno costruito un modello matematico dell’Universo in espansione, seguendo le interazioni tra i campi quantistici. Il modello rappresentava gli stati energetici come valli di diversa profondità e considerava un campo immerso in altri campi, cioè nel proprio ambiente. Questo elemento è importante anche per la decoerenza: il processo per cui le interazioni con l’ambiente possono perturbare un sistema quantistico e modificarne il comportamento.

«L’isolamento perfetto è un’idealizzazione», afferma Greg Kaplanek, informatico della Syracuse University, nello Stato di New York. «Pensiamo, per esempio, ai computer quantistici: facciamo enormi sforzi per proteggere dall’ambiente le informazioni quantistiche conservate in queste macchine, perché anche interazioni deboli possono alterare rapidamente lo stato quantistico. In cosmologia accade qualcosa di simile: un campo non è mai davvero solo».

Secondo i risultati del modello, le interazioni con i campi circostanti possono sopprimere il tunneling quantistico e quindi ridurre la probabilità che un campo salti da una valle energetica a un’altra. Il blocco cosmico non renderebbe impossibile la transizione, ma potrebbe ostacolarla in modo significativo.

L’analisi indica inoltre che conta il rapporto tra la massa di un campo e la scala di Hubble, che descrive la velocità di espansione dell’Universo. «Un campo la cui massa è elevata rispetto alla scala di Hubble può adattarsi rapidamente ai cambiamenti dovuti all’espansione dell’Universo e, in questo caso, è molto probabile che si sposti verso il vero vuoto, il minimo energetico più profondo», spiega Christie. «Se l’espansione è troppo rapida rispetto alla dinamica del campo, il sistema non riesce a stare al passo con i cambiamenti. In questo caso può rimanere una probabilità significativa che il campo finisca nel falso vuoto».

I ricercatori accostano il fenomeno all’effetto Zeno quantistico, per cui un sistema può essere impedito dal cambiare stato quando viene misurato o monitorato ripetutamente. Nel modello, a svolgere un ruolo analogo sono le interazioni tra i campi quantistici.

I risultati, tuttavia, derivano da una rappresentazione semplificata e non dimostrano che il campo di Higgs sia effettivamente protetto in questo modo. Per capire se il meccanismo possa valere in condizioni cosmologiche più realistiche serviranno modelli più complessi, applicati a campi quantistici reali.

«Se un meccanismo di questo tipo fosse rilevante in situazioni cosmologiche più realistiche, potrebbe contribuire a stabilizzare un campo che si trova già in un falso vuoto. Per capire fino a che punto possa applicarsi al campo di Higgs, però, serviranno modelli più realistici», afferma il cosmologo David Wands dell’Università di Portsmouth.

Fonte: sciencealert.com