Sommige theorieën die verder gaan dan het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspellen het bestaan ​​van nieuwe ultralichte deeltjes, met massa's ver onder de lichtste bekende deeltjes in de natuur. Deze deeltjes hebben zo'n zeer zwakke interactie met gewone materie dat ze moeilijk te detecteren zijn via deeltjesversnellers en donkere-materiedetectoren. Echter, volgens een nieuw artikel van natuurkundigen Daniel Baumann en Horng Sheng Chia van de Universiteit van Amsterdam (UvA), samen met Rafael Porto uit DESY (Hamburg), dergelijke deeltjes zouden detecteerbaar kunnen zijn in zwaartekrachtsgolfsignalen die afkomstig zijn van samensmeltende zwarte gaten. Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordeling D deze week.

De natuur bestaat uit twee soorten deeltjes:fermionen, het type deeltje waaruit vaste materie bestaat, en bosonen, het type deeltje dat interacties kan voortplanten. Ultralichte bosonen kunnen grote condensaten vormen rond snel roterende zwarte gaten via een proces dat superradiantie wordt genoemd. Een zwart gat dat zo'n bosonwolk draagt, wordt soms een "zwaartekrachtatoom, " omdat de configuratie sterk lijkt op de proton-elektronstructuur in een waterstofatoom, maar op veel grotere schaal. Bijvoorbeeld, net als het elektron in het waterstofatoom, de bosonwolk rond een zwart gat kan in een aantal verschillende toestanden voorkomen, elk met een bepaalde energie.

Vingerafdruk

In het geval van het waterstofatoom, overgangen tussen deze verschillende energieniveaus kunnen worden veroorzaakt door een laser op het atoom te schijnen. Als de energie van de laser precies goed is, het elektron kan van de ene toestand naar de andere springen. Een soortgelijk effect kan optreden voor het zwaartekrachtatoom als het deel uitmaakt van een paar zwarte gaten die om elkaar heen draaien. In dat geval, de zwaartekrachtsinvloed van het tweede zwarte gat zal de rol van de laser spelen en overgangen veroorzaken tussen de energietoestanden van de bosonwolk.

In recente jaren, natuurkundigen hebben zwaartekrachtgolven kunnen meten - rimpelingen in het zwaartekrachtveld - die optreden wanneer paren zwarte gaten met geweld samensmelten tot één. als Baumann, Chia en Porto laten nu zien, de aanwezigheid van energieniveau-overgangen in de hypothetische bosonwolk zou een karakteristieke 'vingerafdruk' induceren in de zwaartekrachtgolfsignalen die door dergelijke samensmeltende zwarte gaten worden geproduceerd. Het observeren van zo'n vingerafdruk zou een belangrijke test zijn voor theorieën die ultralichte bosonische deeltjes voorspellen. Hoewel de huidige waarnemingen van zwaartekrachtgolven nog niet gevoelig genoeg zijn om het effect waar te nemen, dit zal zeker een belangrijk doelwit worden van toekomstige experimenten.