
Partikel boson Higgs, abstrak yang dihasilkan komputer. (Gambar oleh akkmesterke di Shutterstock)
Meskipun alam semesta kita mungkin tampak stabil, telah ada selama 13,7 miliar tahun, beberapa eksperimen menunjukkan bahwa alam semesta ini dalam bahaya – seperti berjalan di tepi jurang yang sangat berbahaya. Dan itu semua disebabkan oleh ketidakstabilan satu partikel fundamental: boson Higgs.
Dalam penelitian baru yang saya dan rekan-rekan saya lakukan, baru saja diterima untuk dipublikasikan di Huruf Fisik Bkami menunjukkan bahwa beberapa model alam semesta awal, yang melibatkan objek yang disebut lubang hitam primordial cahaya, tidak mungkin benar karena model tersebut telah memicu boson Higgs untuk mengakhiri kosmos sekarang.
Boson Higgs bertanggung jawab atas massa dan interaksi semua partikel yang kita ketahui. Itu karena massa partikel merupakan konsekuensi dari partikel elementer yang berinteraksi dengan medan, yang disebut medan Higgs. Karena boson Higgs ada, kita tahu bahwa medan itu ada.
Anda dapat menganggap medan ini sebagai bak air yang benar-benar tenang tempat kita berendam. Medan ini memiliki sifat yang identik di seluruh alam semesta. Ini berarti kita mengamati massa dan interaksi yang sama di seluruh kosmos. Keseragaman ini memungkinkan kita untuk mengamati dan menggambarkan fisika yang sama selama beberapa milenium (para astronom biasanya melihat ke masa lalu).


Namun, medan Higgs kemungkinan besar tidak akan berada dalam keadaan energi serendah mungkin. Itu berarti secara teoritis medan Higgs dapat mengubah keadaannya, jatuh ke keadaan energi yang lebih rendah di lokasi tertentu. Namun, jika itu terjadi, hukum fisika akan berubah secara dramatis.
Perubahan semacam itu akan mewakili apa yang disebut fisikawan sebagai transisi fase. Inilah yang terjadi saat air berubah menjadi uap, membentuk gelembung dalam prosesnya. Transisi fase dalam medan Higgs juga akan menciptakan gelembung ruang berenergi rendah dengan fisika yang sama sekali berbeda di dalamnya.
Dalam gelembung semacam itu, massa elektron akan tiba-tiba berubah, dan begitu pula interaksinya dengan partikel lain. Proton dan neutron – yang membentuk inti atom dan terbuat dari kuark – akan tiba-tiba terdislokasi. Pada dasarnya, siapa pun yang mengalami perubahan seperti itu kemungkinan besar tidak akan dapat melaporkannya lagi.
Risiko konstan
Pengukuran massa partikel terkini dari Large Hadron Collider (LHC) di Cern menunjukkan bahwa peristiwa semacam itu mungkin saja terjadi. Namun, jangan panik; hal ini mungkin hanya terjadi dalam beberapa ribu miliar miliar tahun setelah kita pensiun. Karena alasan ini, di koridor departemen fisika partikel, biasanya dikatakan bahwa alam semesta tidaklah tidak stabil, melainkan “meta-stabil”, karena kiamat dunia tidak akan terjadi dalam waktu dekat.
Untuk membentuk gelembung, medan Higgs memerlukan alasan yang kuat. Berdasarkan mekanika kuantum, teori yang mengatur mikrokosmos atom dan partikel, energi Higgs selalu berfluktuasi. Dan secara statistik memungkinkan (meskipun tidak mungkin, itulah sebabnya dibutuhkan waktu yang lama) bahwa Higgs membentuk gelembung dari waktu ke waktu.


Namun, ceritanya berbeda ketika ada sumber energi eksternal seperti medan gravitasi yang kuat atau plasma panas (suatu bentuk materi yang terbuat dari partikel bermuatan): medan tersebut dapat meminjam energi ini untuk membentuk gelembung dengan lebih mudah.
Oleh karena itu, meskipun tidak ada alasan untuk menduga bahwa medan Higgs membentuk banyak gelembung saat ini, pertanyaan besar dalam konteks kosmologi adalah apakah lingkungan ekstrem sesaat setelah Big Bang dapat memicu gelembung tersebut.
Namun, ketika alam semesta sangat panas, meskipun energi tersedia untuk membantu pembentukan gelembung Higgs, efek termal juga menstabilkan Higgs dengan memodifikasi sifat kuantumnya. Oleh karena itu, panas ini tidak dapat memicu kiamat alam semesta, yang mungkin menjadi alasan mengapa kita masih ada di sini.
Lubang hitam purba
Dalam penelitian baru kami, kami menunjukkan bahwa ada satu sumber panas yang akan terus-menerus menyebabkan gelembung tersebut (tanpa efek termal yang menstabilkan seperti yang terlihat pada hari-hari awal setelah Big Bang). Itu adalah lubang hitam primordial, sejenis lubang hitam yang muncul di alam semesta awal dari keruntuhan wilayah ruangwaktu yang terlalu padat. Tidak seperti lubang hitam normal, yang terbentuk saat bintang runtuh, lubang hitam primordial bisa sangat kecil – seringan satu gram.


Keberadaan lubang hitam ringan tersebut merupakan prediksi dari banyak model teoritis yang menggambarkan evolusi kosmos tak lama setelah Big Bang. Ini termasuk beberapa model inflasi, yang menunjukkan bahwa alam semesta meledak sangat besar setelah Big Bang.
Akan tetapi, pembuktian keberadaan ini disertai dengan peringatan besar: Stephen Hawking menunjukkan pada tahun 1970-an bahwa, karena mekanika kuantum, lubang hitam menguap perlahan dengan memancarkan radiasi melalui cakrawala peristiwanya (titik di mana bahkan cahaya tidak dapat lolos).
Hawking menunjukkan bahwa lubang hitam berperilaku seperti sumber panas di alam semesta, dengan suhu yang berbanding terbalik dengan massanya. Ini berarti bahwa lubang hitam ringan jauh lebih panas dan menguap lebih cepat daripada lubang hitam yang bermassa besar. Secara khusus, jika lubang hitam purba yang lebih ringan dari beberapa ribu miliar gram terbentuk di alam semesta awal (10 miliar kali lebih kecil dari massa Bulan), seperti yang ditunjukkan oleh banyak model, mereka pasti sudah menguap sekarang.
Di hadapan medan Higgs, objek-objek tersebut akan berperilaku seperti kotoran dalam minuman bersoda – membantu cairan membentuk gelembung-gelembung gas dengan menyumbang energinya melalui efek gravitasi (karena massa lubang hitam) dan suhu sekitar (karena radiasi Hawking).
Ketika lubang hitam purba menguap, mereka memanaskan alam semesta secara lokal. Mereka akan berevolusi di tengah titik panas yang bisa jadi jauh lebih panas daripada alam semesta di sekitarnya, tetapi masih lebih dingin daripada suhu Hawking pada umumnya. Apa yang kami tunjukkan, dengan menggunakan kombinasi perhitungan analitis dan simulasi numerik, adalah bahwa, karena keberadaan titik panas ini, mereka akan terus-menerus menyebabkan medan Higgs menggelembung.
Namun, kita masih di sini. Ini berarti bahwa objek-objek seperti itu sangat tidak mungkin pernah ada. Bahkan, kita harus mengesampingkan semua skenario kosmologi yang memprediksi keberadaan mereka.
Tentu saja, kecuali jika kita menemukan beberapa bukti keberadaan mereka di masa lalu dalam radiasi purba atau gelombang gravitasi. Jika kita menemukannya, itu mungkin akan lebih menarik. Itu akan menunjukkan bahwa ada sesuatu yang tidak kita ketahui tentang Higgs; sesuatu yang melindunginya dari gelembung di hadapan lubang hitam purba yang menguap. Ini mungkin, pada kenyataannya, merupakan partikel atau gaya yang benar-benar baru.
Apa pun masalahnya, jelas bahwa kita masih memiliki banyak hal untuk ditemukan tentang alam semesta pada skala terkecil dan terbesar.