Un nuovo studio pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) esplora come l’interazione con l’ambiente possa influenzare la stabilità dei campi quantistici in un universo in espansione. La ricerca, firmata da Robson Christie, Jaewoo Joo, Greg Kaplanek, Vincent Vennin e David Wands, introduce il concetto di “cosmic lockdown” per descrivere un meccanismo che impedisce a un campo di cambiare stato energetico una volta localizzato in un minimo locale, noto come falso vuoto. David Wands, professore presso l’Institute of Cosmology & Gravitation dell’Università di Portsmouth, chiarisce che in cosmologia il vuoto non è privo di energia, ma rappresenta uno stato di minimo energetico, con il “vero vuoto” corrispondente al minimo assoluto e i “falsi vuoti” a minimi locali meno profondi.

L’analogia utilizzata per spiegare il fenomeno paragona questi stati a valli di diversa profondità in un paesaggio, dove un sistema può restare intrappolato in una valle meno profonda pur esistendone una più bassa. I campi quantistici, che permeano l’Universo e le cui eccitazioni si manifestano come particelle, possono subire questa dinamica, come illustrato dal caso del campo di Higgs, il cui valore nel vuoto contribuisce a conferire massa alle particelle del Modello Standard. Alcuni calcoli suggeriscono che il campo di Higgs potrebbe trovarsi in un falso vuoto, con la possibilità di un secondo minimo più profondo a valori elevati del campo.

Robson Christie, primo autore dello studio e ricercatore presso la School of Mathematics and Physics dell’Università di Portsmouth, spiega che una transizione verso quel minimo più profondo porterebbe l’Universo in uno stato radicalmente diverso, alterando la struttura della materia e le forze fondamentali. In fisica classica, superare la barriera tra due vuoti richiede energia sufficiente, mentre in meccanica quantistica il fenomeno del tunnelling permette al sistema di comparire dall’altra parte della barriera con una certa probabilità. Tuttavia, Greg Kaplanek, ricercatore alla Syracuse University, sottolinea che l’isolamento perfetto di un campo è un’idealizzazione, poiché nella realtà i campi interagiscono continuamente con l’ambiente circostante, simile a quanto accade nei computer quantistici dove le interazioni deboli possono modificare lo stato quantistico.

Queste interazioni producono decoerenza, un fenomeno che rende difficile mantenere la sovrapposizione di stati quantistici, facendo comportare il sistema in modo più simile a un sistema classico. Nel modello sviluppato dagli autori, l’ambiente è rappresentato da altri campi che interagiscono con il campo principale, e una sorpresa emersa dallo studio è che l’ambiente non gioca un ruolo decisivo nella scelta iniziale del vuoto. Il fattore determinante è se il campo sia “leggero” o “pesante” rispetto alla scala di Hubble, che indica il tasso di espansione dell’Universo.

Christie spiega che un campo pesante rispetto alla scala di Hubble si adatta rapidamente ai cambiamenti e ha alta probabilità di spostarsi verso il vero vuoto, mentre un campo leggero, se l’espansione è troppo rapida rispetto alla sua dinamica, può rimanere con una probabilità significativa nel falso vuoto. Una volta che un campo leggero si è localizzato in un falso vuoto, l’interazione con l’ambiente produce decoerenza che distrugge le proprietà quantistiche necessarie per mantenere una sovrapposizione coerente tra i due vuoti. Kaplanek nota che, sebbene l’ambiente non decida dove finirà il campo, la decoerenza tende a mantenerlo nel minimo raggiunto, sopprimendo fortemente il tunnelling verso l’altro vuoto.

Questo fenomeno, definito “cosmic lockdown”, è interpretato come una manifestazione dell’effetto Zeno quantistico, dove il monitoraggio continuo da parte dell’ambiente, senza bisogno di un osservatore cosciente, rende difficile il passaggio tra stati. Kaplanek precisa che l’ambiente raccoglie continuamente informazioni sullo stato del sistema, distruggendo la coerenza e ostacolando il tunnelling. Lo studio, basato su un modello semplificato, non dimostra che il vuoto di Higgs attuale sia protetto dal cosmic lockdown, ma suggerisce che le interazioni ambientali possano stabilizzare un falso vuoto.

Wands conclude che, se questo meccanismo fosse rilevante in situazioni cosmologiche più realistiche, potrebbe contribuire a stabilizzare un campo già in un falso vuoto, rendendo più difficile una transizione verso uno stato radicalmente diverso, sebbene siano necessari modelli più realistici per applicarlo al campo di Higgs.

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