私たちの宇宙は安定しているように見え、137億年もの間存在してきたが、いくつかの実験によって宇宙が危険な崖っぷちに立っているリスクがあることが示唆されている。そしてそのすべては、たった1つの基本粒子の不安定性に起因している:ヒッグス粒子である。
『Physical Letters B』に掲載が決まった私と同僚による新しい研究では、初期宇宙のいくつかのモデル、特に軽い原始ブラックホールと呼ばれる物体を含むモデルが正しくない可能性が高いことを示している。なぜなら、それらのモデルではヒッグス粒子が宇宙を今頃には終わらせていたはずだからである。
ヒッグス粒子は、私たちが知るすべての粒子の質量と相互作用の原因となっている。これは、素粒子がヒッグス場と呼ばれる場と相互作用することで粒子の質量が生じるためである。ヒッグス粒子が存在するということは、この場が存在することを意味する。
この場は、私たちが浸っている完全に静止した水場のようなものだと考えることができる。宇宙全体で同じ性質を持っている。これは、宇宙全体で同じ質量と相互作用を観察できることを意味する。この均一性により、私たちは数千年にわたって同じ物理学を観察し、記述することができた（天文学者は通常、時間をさかのぼって観察する）。
しかし、ヒッグス場は取り得る最低のエネルギー状態にはない可能性が高い。つまり、理論的には状態を変え、特定の場所でより低いエネルギー状態に落ち込む可能性がある。しかし、もしそれが起こったら、物理法則は劇的に変わってしまうだろう。
このような変化は、物理学者が相転移と呼ぶものを表す。これは水が蒸気に変わり、その過程で泡を形成するときに起こることと同じである。ヒッグス場の相転移も同様に、全く異なる物理法則を持つ低エネルギーの空間の泡を作り出すだろう。
そのような泡の中では、電子の質量が突然変化し、他の粒子との相互作用も変わるだろう。原子核を構成し、クォークでできている陽子と中性子は突然分解するだろう。本質的に、このような変化を経験する人は、もはやそれを報告することができなくなる可能性が高いのである。
常に存在するリスク
CERNの大型ハドロン衝突型加速器(LHC)による最近の粒子質量の測定結果は、このようなイベントが起こり得ることを示唆している。しかし、パニックにならないでほしい。これは私たちが引退してから数千億億年後にしか起こらないかもしれない。このため、粒子物理学部門の廊下では、宇宙は不安定ではなく「準安定」であると言われている。なぜなら、世界の終わりはすぐには起こらないからである。
泡を形成するには、ヒッグス場には良い理由が必要である。量子力学（原子や粒子のミクロな世界を支配する理論）により、ヒッグスのエネルギーは常に変動している。そして、統計的には可能だが（時間がかかるため、可能性は低い）、ヒッグスが時々泡を形成する可能性がある。
しかし、強い重力場や高温プラズマ（帯電粒子で構成される物質の形態）のような外部エネルギー源が存在する場合、話は異なる。場はこのエネルギーを借りて、より簡単に泡を形成することができる。
したがって、今日ヒッグス場が多数の泡を形成すると予想する理由はないが、宇宙論の文脈では、ビッグバン直後の極端な環境がそのような泡立ちを引き起こした可能性があるかどうかが大きな問題である。
しかし、宇宙が非常に高温だった時、ヒッグスの泡を形成するためのエネルギーは利用可能だったが、熱効果もまたヒッグスの量子的性質を変えることで安定化させた。したがって、この熱は宇宙の終わりを引き起こすことはできなかった。おそらく、これが私たちがまだここにいる理由だろう。
原始ブラックホール
私たちの新しい研究では、しかし、そのような泡立ちを常に引き起こす（ビッグバン直後の初期の日々に見られた安定化する熱効果なしに）熱源が1つあることを示した。それは原始ブラックホールである。これは、初期宇宙で時空間の過密な領域が崩壊して生まれたタイプのブラックホールである。恒星が崩壊して形成される通常のブラックホールとは異なり、原始ブラックホールは非常に小さく、1グラムほどの軽さかもしれない。
このような軽いブラックホールの存在は、ビッグバン直後の宇宙の進化を描写する多くの理論モデルの予測である。これには、宇宙がビッグバン後に大きく膨張したことを示唆するインフレーション理論のいくつかのモデルも含まれる。
しかし、この存在を証明することには大きな注意点がある。Stephen Hawkingは1970年代に、量子力学のために、ブラックホールは事象の地平面（光さえも逃げられない点）を通して放射を放出することで、ゆっくりと蒸発することを示した。
Hawkingは、ブラックホールが宇宙の中で熱源のように振る舞い、その質量に反比例する温度を持つことを示した。これは、軽いブラックホールの方が非常に高温で、質量の大きいものよりも速く蒸発することを意味する。特に、多くのモデルが示唆するように、初期宇宙で数千億グラムより軽い原始ブラックホール（月の質量の100億分の1より小さい）が形成されていたとすれば、今頃には蒸発してしまっているはずである。
ヒッグス場が存在する中で、このような物体は炭酸飲料の中の不純物のように振る舞うだろう。ブラックホールの質量による重力効果とその周囲の温度（ホーキング放射による）を通じてエネルギーを寄与することで、液体がガス泡を形成するのを助けるのである。
原始ブラックホールが蒸発すると、局所的に宇宙を加熱する。それらは周囲の宇宙よりもはるかに高温だが、典型的なホーキング温度よりは低い温度のホットスポットの中心で進化するだろう。私たちが解析的計算と数値シミュレーションを組み合わせて示したのは、これらのホットスポットの存在により、それらが常にヒッグス場を泡立たせる原因となるということである。
しかし、私たちはまだここにいる。これは、そのような物体が存在した可能性が非常に低いことを意味する。実際、私たちはそれらの存在を予測するすべての宇宙論的シナリオを排除すべきである。
もちろん、古代の放射や重力波で過去の存在の証拠を発見しない限りである。もし発見すれば、それはさらに興味深いかもしれない。それは、ヒッグスについて私たちが知らないことがあることを示すかもしれない。蒸発する原始ブラックホールの存在下で泡立つことから保護する何かである。これは、実際には全く新しい粒子や力かもしれない。
いずれにせよ、最小スケールと最大スケールの宇宙について、私たちにはまだ発見すべきことが多くあることは明らかである。
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