Quantum Diaries

Gian Giudice is a rather smiling and relaxed person for someone who has just shown the Universe might be doomed. This rather shaking discovery did not induce any lack of sleep to this CERN theorist whom I met yesterday. He and his colleagues showed in their latest calculations that if the Standard Model holds beyond all what we have seen so far, the Higgs field will change its value and all matter as we know it will simply cease to exist.

But rest assured, nothing is due to happen for roughly another 10¹⁰⁰ years, that is 1 followed-by-100-zeros years. As Gian put it, we should not stop paying our taxes. Given that the Universe is only about 13.77 billion years old, it still gives us plenty of time. One billion is “only” nine zero, a very small number in comparison with the time estimated for this change to happen.

What he and his colleagues found is that we live in a Universe having parameters sitting just on the edge. Their calculations established that the stability of our Universe depends on the specific values assumed by various entities such as the masses of some fundamental particles. Assuming the new boson found last July is the Higgs boson and has a mass of 126 GeV, and injecting the known value of the top quark mass (roughly 173 ± 1 GeV), implies the Universe sits in a meta-stable region. This means the Universe is doomed to undergo some sort of “phase transition” at some distant time in the future.

The left plot, extracted from their paper, shows three types of regions depending on the value of these two masses: the red ones indicate that the Universe would have been unstable and would not have formed. The green region corresponds to a set of values leading to eternal stability, where the Higgs field would remain unchanged forever. The yellow region describes a meta-stable region. The right plot shows that, with the assumed mass values, we fall in the meta-stable region, where eventually the Higgs field value will change, leading to a complete collapse of all atoms.

The Higgs field is a physical entity, just like a magnetic field around a magnet. And the Higgs boson is simply an excitation of this field, just like a wave is an excitation of the surface of the ocean.

This change of the Higgs field value would be just a phase transition similar to what happens when a liquid starts to boil. Bubbles form and eventually, the liquid evaporates and disappears. Since the value of the Higgs field has a direct impact on the mass of quarks and electrons, it also determines the size of atoms. If the field value changes sufficiently, the atoms equilibrium is at risk and all matter could collapse.

What is puzzling Gian Giudice the most is why are these parameters such as to put us right on the edge between the meta-stable and stable region. Why has Nature chosen such unlikely values out of all possibilities? Could it be that all values are possible and we simply happen to live in a Universe having these specific ones? This would then mean there would be zillions of other Universes out there, each one having its own set of parameters, some of them being completely unstable and undergoing rapid phase transitions, others simply never being born. Our Universe would be part of a multiverse.

Much food for thoughts! The easiest way out is still for the Large Hadron Collider (LHC) to lead to the discoveries of new particles, revealing that the Standard Model does not provide the full picture. This in turn would mean all these calculations would just be good for the garbage, as Gian Giudice is the first to point out laughingly.

Pauline Gagnon

To be alerted of new postings, follow me on Twitter: @GagnonPauline or sign-up on this mailing list to receive and e-mail notification.

Gian Giudice est plutôt souriant et tranquille pour quelqu’un qui vient tout juste de démontrer que l’Univers est peut-être voué à disparaître. Cette découverte pour le moins renversante n’a pas fait perdre le sommeil à ce théoricien du CERN que j’ai rencontré hier. Lui et ses collègues ont démontré que si le Modèle Standard tient bien au-delà de ce que nous avons vu à ce jour, le champ de Higgs changera de valeur et toute la matière cessera d’exister sous sa forme actuelle.

Mais il n’y a rien à craindre : cela ne devrait pas se passer avant dix puissance cent années (10¹⁰⁰), soit 1 suivi de cent zéros. Comme le dit Gian, inutile de ne pas payer ses impôts. Sachant que l’âge de l’Univers se chiffre à 13,77 milliards d’années, on a encore bien le temps, un milliard n’étant qu’un suivi de neuf zéros, rien en comparaison du temps estimé avant cette transition.

Ce que lui et ses collègues ont trouvé, c’est que nous vivons dans un Univers se situant juste à la limite. Leurs calculs ont établi que la stabilité de l’Univers dépend des valeurs spécifiques de différentes quantités comme les masses de particules fondamentales. En supposant que le boson découvert l’an dernier est bien le boson de Higgs ayant une masse de 126 GeV, et en incluant la valeur de la masse du quark top (environ 173 ± 1 GeV), ils ont déduit que l’Univers se trouve dans une région métastable. Cela signifie qu’éventuellement l’Univers passera par une sorte de « transition de phase ».

Le graphe de gauche, tiré de leur article, montre qu’il existe trois types de régions dépendant des valeurs de ces deux masses: en rouge,  les zones d’instabilité où l’Univers ne pourrait exister ; en vert, les zones de stabilité éternelle où le champs de Higgs ne changera jamais de valeur, et enfin en jaune, une région métastable. Le graphe de droite montre que pour les valeurs de masse en question, on tombe en zone métastable où éventuellement la valeur du champ de Higgs changera, causant la disparition de tous les atomes.

Le champ de Higgs est une entité physique, tout comme le champ magnétique qui entoure un aimant. Le boson de Higgs quant à lui n’est qu’une excitation de ce champ, comme une vague est une excitation de la surface de l’océan.

Un changement de valeur du champ de Higgs s’apparentera à une transition de phase, comme lorsqu’un liquide se met à bouillir. Des bulles se forment, puis peu à peu le liquide s’évapore et disparaît. Puisque la valeur du champ de Higgs a un impact direct sur la masse des quarks et des électrons, elle détermine aussi la taille des atomes. Si cette valeur change suffisamment, tout l’équilibre des atomes sera menacé.

Ce qui étonne le plus Gian Giudice, c’est le fait que les valeurs de ces paramètres soient à la limite entre les zones de stabilité et de métastabilité. Pourquoi la Nature en a-t-elle décidé ainsi parmi toutes les valeurs possibles ? Se pourrait-il que toutes les valeurs soient permises et qu’on s’adonne simplement à vivre dans un Univers ayant un ensemble particulier de valeurs ? Ceci signifierait qu’il existe en parallèle une multitude d’autres univers, chacun ayant son propre ensemble de paramètres. Certains seraient donc instables et n’auraient pu se former, tandis que d’autres passeraient par des transitions de phase rapides. L’Univers ferait alors partie d’un multivers.

Cela donne matière à réflexion. Le plus simple serait encore si le Grand collisionneur de hadrons ou LHC conduisait à de nouvelles découvertes, révélant ainsi que le Modèle Standard n’est pas l’ultime théorie. Cela impliquerait du coup que tous ces calculs, qui assument l’infaillibilité du Modèle Standard, ne seraient bons que pour la poubelle, me lance en riant Gian Giudice.

Pauline Gagnon

Pour être averti-e lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution