Сигналите за гравитационните вълни може да съдържат улики за частици с изключително малка маса, предсказани от разширение на Стандартния модел на физиката на частиците, твърди ново изследване, описано накратко във Physics.
Тези частици може да са дълго търсените частици тъмна материя.
Статията е публикувана в Physical Review D, а препринтът може да се намери на сайта arXiv.org.
Природата се състои от два вида частици - фермиони, частици, които образуват веществата, и бозони, частиците, които могат да разпространяват взаимодействията.
Обикновено теоретиците, търсещи физика извън Стандартния модел или хипотетичните частици тъмна материя, се опитват да намерят WIMP (weakly interacting massive particle или слабо взаимодействащи масивни частици). Тъй като такива частици не участват в електромагнитното взаимодействие, не е възможно да се видят с помощта на обикновени телескопи (затова материята, състояща се от тях се нарича „тъмна”). WIMP възникват в голям брой теоретични модели - например в суперсиметричните теории - които предвиждат, че масата на хипотетичните частици е най-малко 10 протонни маси. За съжаление, дори най-чувствителните детектори не могат да видят WIMP на практика. Затова сега физиците постепенно преминават към алтернативни теории за тъмната материя.
Някои от тези модели твърдят, че тъмната материя се състои не от тежки, а от невероятно леки бозони, чиято маса не надвишава 10-19 протонни маси. Подобно на WIMP, такива частици слабо взаимодействат с частиците на Стандартния модел, но се проявяват чрез гравитационни ефекти - гравитационни лещи и криви на въртене на галактиките. Най-известният пример за лек бозон е скаларната частица, наречена аксион, предложена през 1977 г. от Роберто Печеи и Хелън Куин. Първоначално аксионът се въвежда в Стандартния модел, за да се изчисти проблема за запазването на CP-инвариантността при силните взаимодействия, но също така се вписва добре в ролята на частица от тъмната материя. Освен това в Теорията на струните и други алтернативни теории възникват леки аксионни частици. За съжаление аксионите не биха се появили в експерименти за ускоряване на частиците или в детекторите за тъмна материя, регистрирането им с използваните досега наземни детектори е много трудно и засега учените са успели да проверят само тесен диапазон маси.
Новите изчисления на Даниел Бауман (Daniel Baumann) и Хорнг Шен Чиа (Horng Sheng Chia) от Университета в Амстердам (UvA), заедно с Рафаел Порто (Rafael Porto) от DESY, Хамбург, предполагат, че облаците от свръхлеките бозони могат да бъдат открити в сигналите на гравитационната вълна от сливането на черните дупки, тези облаци могат да модифицират гравитационния сигнал. В този смисъл гравитационните вълни могат да осигурят изцяло нов начин за откриване на някои частици, недостъпни за обикновените експерименти.
Наземните детектори не виждат такива фини детайли, но космическият детектор LISA, който се планира да бъде пуснат в средата на 30-те години, лесно може да ги улови.
Еволюция на двойна система от черни дупки с бозонов облак. Благодарение на излъчването на гравитационните вълни, дупките постепенно се приближават една към друга, докато облакът попадне в резонанс и изкриви спектъра на гравитационния сигнал. Daniel Baumann и др. / Physical Review D, 2019
Една въртяща се черна дупка може да използва енергията от въртенето си, за да усили радиацията, създадена от материала около нея, ефект, наречен свръхизлъчване. Според някои модели на частиците, тази свръхрадиация поражда много леки бозони с маси в обхвата 10−10 до 10−20 eV.
Черна дупка, носеща такъв бозонов облак, понякога се нарича "гравитационен атом", защото нейната конфигурация прилича много на протон-електронната структура на водороден атом, но в много по-голям мащаб. Например подобно на електроните във водородния атом облакът от бозони около черна дупка може да съществува в поредица различни състояния, всяко с определена енергия.
В случая на водородния атом преходите между тези различни енергийни нива могат да бъдат предизвикани чрез облъчване на атома с лазер. Когато енергията на лазера стане точно определена стойност, електронът може да прескочи от едно състояние в друго. Подобен ефект може да се случи и за гравитационния атом, ако той е част от двойка черни дупки, които обикалят една около друга. В този случай гравитационното влияние на втората черна дупка ще играе ролята на лазер и ще индуцира преходи между енергийните състояния на бозоновия облак.
За да се изпълни определено състояние на гравитационния резонанс, трябва орбиталната честота на двойката черни дупки, умножена по константата на Планк, да съответства на енергийните нива на бозоновия облак.
Този бърз преход би нарушил по определен начин спектъра на сигнала на гравитационната вълна от сливането на черните дупки.
Сега учените могат да измерват този спектър, макар и много грубо - следователно, с помощта на гравитационните вълни, индиректно може да се потвърди съществуването на аксионите. Досега никой не бе изучавал тази възможност, а и съществуващите наземни детектори не виждат такива фини детайли.
Надяваме се космическият детектор LISA, който се планира да бъде пуснат в средата на 30-те години, лесно да може да ги улови.
Източници:
Probing Ultralight Bosons with Binary Black Holes, Daniel Baumann, Horng Sheng Chia, Rafael A. Porto
Synopsis: Black Holes Could Reveal New Ultralight Particles, Matthew R. Francis
Discovering new particles using black holes, University of Amsterdam
Още по темата
Космос
Ураган от тъмна материя връхлита Слънчевата система със скорост 500 км/сек.
Физика
Палеодетектор търси тъмна материя в древни скали
Космос
Звезди от тъмна материя генерират странните космически сигнали, според нова хипотеза
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари