Detektering af nye partikler omkring sorte huller med gravitationsbølger

Skyer af ultralette partikler kan dannes omkring roterende sorte huller. Et hold fysikere fra University of Amsterdam og Harvard University viser nu, at disse skyer ville efterlade et karakteristisk aftryk på gravitationsbølgerne udsendt af binære sorte huller.

Sorte huller menes generelt at sluge alle former for stof og energi omkring dem. Det har dog længe været kendt, at de også kan smide noget af deres masse gennem en proces kaldet superradiance. Selvom dette fænomen vides at forekomme, er det kun effektivt, hvis der findes nye hidtil uobserverede partikler med meget lav masse i naturen, som forudsagt af flere teorier ud over partikelfysikkens standardmodel.

Ioniserende gravitationsatomer

Når massen udvindes fra et sort hul via superradians, danner den en stor sky omkring det sorte hul, hvilket skaber et såkaldt gravitationsatom. På trods af den uhyre større størrelse af et gravitationsatom er sammenligningen med submikroskopiske atomer nøjagtig på grund af ligheden mellem det sorte hul plus dets sky med den velkendte struktur af almindelige atomer, hvor skyer af elektroner omgiver en kerne af protoner og neutroner.

I en publikation, der udkom i Physical Review Letters i denne uge antyder et hold bestående af UvA-fysikere Daniel Baumann, Gianfranco Bertone og Giovanni Maria Tomaselli og Harvard University-fysiker John Stout, at analogien mellem almindelige og gravitationsatomer stikker dybere end blot ligheden i struktur. De hævder, at ligheden faktisk kan udnyttes til at opdage nye partikler med kommende gravitationsbølgeinterferometre.

I det nye arbejde undersøgte forskerne den gravitationsmæssige ækvivalent til den såkaldte "fotoelektriske effekt". I denne velkendte proces, som for eksempel udnyttes i solceller til at producere en elektrisk strøm, absorberer almindelige elektroner energien fra indfaldende lyspartikler og bliver derved udstødt fra et materiale - atomerne "ioniserer". I gravitationsanalogen, når gravitationsatomet er en del af et binært system af to tunge objekter, bliver det forstyrret af tilstedeværelsen af ​​den massive ledsager, som kunne være et andet sort hul eller en neutronstjerne. Ligesom elektronerne i den fotoelektriske effekt absorberer energien fra det indfaldende lys, kan skyen af ​​ultralette partikler absorbere ledsagerens orbitale energi, så noget af skyen bliver slynget ud af gravitationsatomet.

Find nye partikler

Holdet demonstrerede, at denne proces dramatisk kan ændre udviklingen af ​​sådanne binære systemer, hvilket væsentligt reducerer den tid, det tager for komponenterne at smelte sammen med hinanden. Desuden forstærkes ioniseringen af ​​gravitationsatomet ved meget specifikke afstande mellem de binære sorte huller, hvilket fører til skarpe træk i gravitationsbølgerne, som vi detekterer fra sådanne fusioner. Fremtidige gravitationsbølgeinterferometre - maskiner svarende til LIGO- og Jomfru-detektorerne, der i løbet af de sidste par år har vist os de første gravitationsbølger fra sorte huller - kunne observere disse effekter. At finde de forudsagte træk fra gravitationsatomer ville give karakteristiske beviser for eksistensen af ​​nye ultralette partikler. + Udforsk yderligere

Opdagelse af nye partikler ved hjælp af sorte huller