Ultralichte bosonen zijn hypothetische deeltjes waarvan de massa naar verwachting minder dan een miljardste van de massa van een elektron zal zijn. Ze hebben relatief weinig interactie met hun omgeving en zijn tot dusverre ontsnapt aan zoekopdrachten om hun bestaan ​​te bevestigen. Als ze bestaan, ultralichte bosonen zoals axionen zouden waarschijnlijk een vorm van donkere materie zijn, de mysterieuze, onzichtbare dingen die 85 procent van de materie in het universum uitmaken.

Nutsvoorzieningen, natuurkundigen van het LIGO-laboratorium van MIT hebben naar ultralichte bosonen gezocht met behulp van zwarte gaten - objecten die verbijsterende orden van grootte zwaarder zijn dan de deeltjes zelf. Volgens de voorspellingen van de kwantumtheorie, een zwart gat van een bepaalde massa zou wolken van ultralichte bosonen moeten aantrekken, wat op zijn beurt de spin van een zwart gat collectief zou moeten vertragen. Als de deeltjes bestaan, dan zouden alle zwarte gaten van een bepaalde massa relatief lage spins moeten hebben.

Maar de natuurkundigen hebben ontdekt dat twee eerder gedetecteerde zwarte gaten te snel ronddraaien om door ultralichte bosonen te zijn aangetast. Door hun grote spins, het bestaan ​​van zwarte gaten sluit het bestaan ​​uit van ultralichte bosonen met massa's tussen 1,3x10 ^-13 elektronvolt en 2,7x10 ^-13 elektronvolt - ongeveer een triljoenste van de massa van een elektron.

De resultaten van het team, vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de zoektocht naar axionen en andere ultralichte bosonen verder verfijnen. De studie is ook de eerste die de spins van zwarte gaten gebruikt die zijn gedetecteerd door LIGO en Virgo, en zwaartekrachtsgolfgegevens, op zoek naar donkere materie.

"Er zijn verschillende soorten bosonen, en we hebben er een onderzocht, " zegt co-auteur Salvatore Vitale, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "Misschien zijn er anderen, en we kunnen deze analyse toepassen op de groeiende dataset die LIGO en Virgo de komende jaren zullen leveren."

Vitale's co-auteurs zijn hoofdauteur Kwan Yeung (Ken) Ng, een afgestudeerde student aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT, samen met onderzoekers van de Universiteit Utrecht in Nederland en de Chinese Universiteit van Hong Kong.

De energie van een carrousel

Er wordt gezocht naar ultralichte bosonen in een enorm scala aan superlichte massa's, vanaf 1x10 ^-33 elektronvolt tot 1x10 ^-6 elektronvolt. Wetenschappers hebben tot dusver tafelexperimenten en astrofysische waarnemingen gebruikt om splinters van deze grote ruimte van mogelijke massa's uit te sluiten. Sinds het begin van de jaren 2000, natuurkundigen stelden voor dat zwarte gaten een ander middel zouden kunnen zijn om ultralichte bosonen te detecteren, vanwege een effect dat bekend staat als superradiance.

Als ultralichte bosonen bestaan, ze zouden onder de juiste omstandigheden kunnen interageren met een zwart gat. De kwantumtheorie stelt dat op zeer kleine schaal, deeltjes kunnen niet worden beschreven door de klassieke natuurkunde, of zelfs als individuele objecten. Deze schaal, bekend als de Compton-golflengte, is omgekeerd evenredig met de deeltjesmassa.

Omdat ultralichte bosonen uitzonderlijk licht zijn, hun golflengte wordt voorspeld uitzonderlijk groot te zijn. Voor een bepaald massabereik van bosonen, hun golflengte kan vergelijkbaar zijn met de grootte van een zwart gat. Wanneer dit gebeurt, naar verwachting zal superradiance zich snel ontwikkelen. Ultralichte bosonen worden vervolgens gemaakt vanuit het vacuüm rond een zwart gat, in hoeveelheden die groot genoeg zijn dat de kleine deeltjes samen op het zwarte gat slepen en zijn spin vertragen.

"Als je op en van een carrousel springt, je kunt energie stelen uit de carrousel, "zegt Vitale. "Deze bosonen doen hetzelfde met een zwart gat."

Wetenschappers geloven dat deze bosonvertraging zich over enkele duizenden jaren kan voordoen - relatief snel op astrofysische tijdschalen.

"Als bosonen bestaan, we zouden verwachten dat oude zwarte gaten met de juiste massa geen grote spins hebben, aangezien de bosonwolken het grootste deel ervan zouden hebben verwijderd, "zegt Ng. "Dit houdt in dat de ontdekking van een zwart gat met grote spins het bestaan ​​van bosonen met bepaalde massa's kan uitsluiten."

Draai op, naar beneden draaien

Ng en Vitale pasten deze redenering toe op metingen van zwarte gaten door LIGO, de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, en zijn metgezel detector Maagd. De detectoren "luisteren" naar zwaartekrachtsgolven, of weerkaatsingen van verre rampen, zoals het samensmelten van zwarte gaten, bekend als binaire bestanden.

In hun studie hebben het team doorzocht alle 45 binaire bestanden van zwarte gaten die tot nu toe door LIGO en Virgo zijn gerapporteerd. De massa's van deze zwarte gaten - tussen de 10 en 70 keer de massa van de zon - geven aan dat als ze interactie hadden gehad met ultralichte bosonen, de deeltjes zouden tussen 1x10 . zijn geweest ^-13 elektronvolt en 2x10 ^-11 elektronvolt in massa.

Voor elk zwart gat het team berekende de spin die het zou moeten hebben als het zwarte gat zou worden afgedraaid door ultralichte bosonen binnen het overeenkomstige massabereik. Uit hun analyse blijkt twee zwarte gaten vielen op:GW190412 en GW190517. Net zoals er een maximale snelheid is voor fysieke objecten - de snelheid van het licht - is er een topspin waarbij zwarte gaten kunnen roteren. GW190517 draait rond dat maximum. De onderzoekers berekenden dat als ultralichte bosonen bestonden, ze zouden zijn spin met een factor twee naar beneden hebben getrokken.

"Als ze bestaan, deze dingen zouden veel impulsmoment hebben opgezogen, "zegt Vitale. "Het zijn echt vampiers."

De onderzoekers hielden ook rekening met andere mogelijke scenario's voor het genereren van de grote spins van de zwarte gaten, terwijl het bestaan ​​van ultralichte bosonen nog steeds mogelijk is. Bijvoorbeeld, een zwart gat zou door bosonen naar beneden kunnen zijn gedraaid, maar vervolgens weer versneld zijn door interacties met de omringende accretieschijf - een schijf van materie waaruit het zwarte gat energie en momentum zou kunnen opzuigen.

"Als je rekent, je vindt dat het te lang duurt om een ​​zwart gat op te draaien tot het niveau dat we hier zien, " zegt Ng. "Dus, we kunnen dit spin-up-effect gerust negeren."

Met andere woorden, het is onwaarschijnlijk dat de hoge spins van de zwarte gaten te wijten zijn aan een alternatief scenario waarin ook ultralichte bosonen bestaan. Gezien de massa's en hoge spins van beide zwarte gaten, de onderzoekers konden het bestaan ​​van ultralichte bosonen met massa's tussen 1,3x10 . uitsluiten ^-13 elektronvolt en 2,7x10 ^-13 elektronvolt.

"We hebben in feite een soort bosonen uitgesloten in dit massabereik, Vitale zegt. "Dit werk laat ook zien hoe detectie van zwaartekrachtgolven kan bijdragen aan het zoeken naar elementaire deeltjes."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.