Opdager nye partikler ved hjælp af sorte huller

Nogle teorier, der går ud over standardmodellen for partikelfysik, forudsiger eksistensen af ​​nye ultralette partikler, med masser langt under de letteste kendte partikler i naturen. Disse partikler har så meget svage interaktioner med almindeligt stof, at de er svære at opdage via partikelkollidorer og detektorer af mørkt stof. Imidlertid, ifølge et nyt papir af fysikerne Daniel Baumann og Horng Sheng Chia fra University of Amsterdam (UvA), sammen med Rafael Porto fra DESY (Hamburg), sådanne partikler kan påvises i gravitationsbølgesignaler, der stammer fra sammenlægning af sorte huller. Undersøgelsen blev offentliggjort i Fysisk gennemgang D denne uge.

Naturen består af to typer partikler:fermioner, den type partikel, der udgør fast stof, og bosoner, den type partikel, der kan sprede interaktioner. Ultralette bosoner kan danne store kondensater omkring hurtigt roterende sorte huller gennem en proces kaldet superradiance. Et sort hul, der bærer en sådan bosonsky, kaldes undertiden et "gravitationsatom, "fordi dens konfiguration meget ligner proton-elektronstrukturen i et hydrogenatom, men i en meget større skala. For eksempel, ligesom elektronen i brintatomet, bosonskyen omkring et sort hul kan eksistere i en række forskellige tilstande, hver med en bestemt energi.

Fingeraftryk

I tilfælde af hydrogenatomet, Overgange mellem disse forskellige energiniveauer kan induceres ved at skinne en laser på atomet. Når laserens energi er helt korrekt, elektronen kan hoppe fra en tilstand til en anden. En lignende effekt kan forekomme for gravitationsatomet, hvis det er en del af et par sorte huller, der kredser om hinanden. I det tilfælde, tyngdekraftsindflydelsen fra det andet sorte hul vil spille laserens rolle og fremkalde overgange mellem bosontskyens energitilstande.

I de seneste år, fysikere har været i stand til at måle gravitationsbølger - krusninger i tyngdefeltet - der opstår, når par sorte huller voldsomt smelter sammen til en enkelt. Som Baumann, Chia og Porto viser nu, tilstedeværelsen af ​​energiovergange i den hypotetiske bosonsky ville fremkalde et karakteristisk 'fingeraftryk' i gravitationsbølgesignalerne produceret af sådanne fusionerende sorte huller. At observere et sådant fingeraftryk ville være en vigtig test for teorier, der forudsiger ultralette bosoniske partikler. Mens de nuværende gravitationsbølgeobservationer endnu ikke er følsomme nok til at observere effekten, dette vil helt sikkert blive et vigtigt mål for fremtidige forsøg.