Splynutí černých děr by mohlo skrývat novou záhadnou částici

Vědci navrhují, že splynutí černých děr může pomoci odhalit nové částice pomocí analýzy gravitačních vln, což představuje nový přístup k detekci částic. Splývající černé díry mohou odhalit nové částice prostřednictvím gravitačních vln, a to buď ionizací, nebo specifickými změnami oběžných drah. To nabízí nové strategie pro hledání ultralehkých částic.

V článku nedávno publikovaném v časopise Physical Review Letters, fyzikové z Amsterdamu a Kodaně navrhují, že detailní pozorování splývajících párů černých děr by mohlo odhalit informace o potenciálních nových částicích. Výzkum navazuje na řadu nedávných objevů, které vědci z UvA učinili v posledních šesti letech.

Gravitační vlny, které jsou vysílány při splynutí dvou černých děr, nesou podrobné informace o tvaru a vývoji oběžných drah obou složek. Nová studie fyziků Giovanniho Marii Tomaselliho a Gianfranca Bertoneho z Amsterodamské univerzity (UvA) spolu s bývalým studentem magisterského studia na UvA Thomasem Spieksmou, který nyní působí na Niels Bohr Institute v Kodani, naznačuje, že pečlivá analýza těchto informací může odhalit existenci nových částic ve vesmíru.

Superradiance
Mechanismus, který umožňuje detekci nových částic, se nazývá superradiance černých děr. Když se černá díra otáčí dostatečně rychle, může část své hmoty uvolnit do „oblaku“ částic ve svém okolí. Systém černé díry a mraku se označuje jako „gravitační atom“ kvůli jeho podobnosti s elektronovým mrakem kolem protonu. Vzhledem k tomu, že superradiance je účinná pouze v případě, že částice jsou mnohem lehčí než částice naměřené v dosavadních experimentech, poskytuje tento proces jedinečnou příležitost prozkoumat existenci nových částic známých jako ultralehké bosony, jejichž existence může vyřešit několik hádanek v astrofyzice, kosmologii a fyzice částic.

Vývoj oběžných drah binárních černých děr v přítomnosti oblaků ultralehkých bosonů studovali vědci z UvA v posledních šesti letech v řadě vlivných prací. Jedním z nových důležitých jevů, které byly objeveny, byly rezonanční přechody, kdy mračno „přeskakuje“ z jednoho stavu do druhého, podobně jako elektron v běžném atomu může přeskakovat mezi jednotlivými orbitami.

Dalším novým jevem, opět podobným chování běžných atomů, je ionizace, kdy je část mraku vyvržena. Oba tyto jevy zanechávají charakteristické otisky na vysílaných gravitačních vlnách, ale detaily těchto otisků závisí na – dosud neznámém – stavu oblaku částic. Ve snaze vyplnit tyto zbývající detaily nová studie kombinuje všechny předchozí výsledky a sleduje historii systému od vzniku dvojhvězdy až po splynutí černých děr.

Dvě možnosti
Hlavní závěry podstatně zlepšují naše chápání binárních gravitačních atomů. Vědci zjistili, že existují dva možné výsledky vývoje takového systému, oba stejně zajímavé. Pokud černé díry a mračno zpočátku rotují opačným směrem, pak mračno přežívá ve stavu původně vzniklém superradiancí a stává se detekovatelným díky své ionizaci, která zanechává jasnou stopu na gravitačních vlnách. Ve všech ostatních případech rezonanční přechody oblak zcela zničí a dráha dvojhvězdy získá velmi specifické hodnoty excentricity a sklonu, které lze změřit ze signálu gravitačních vln.

Nový výsledek tak poskytuje novou a solidní strategii hledání nových částic, a to buď prostřednictvím detekce ionizačních efektů v gravitačních vlnách v jednom případě, nebo v druhém případě prostřednictvím pozorování anomálního přebytku systémů s předpovězenými hodnotami excentricity a sklonu. V obou případech odhalí nadcházející podrobná pozorování gravitačních vln velmi zajímavé informace o otázce, zda existují nové ultralehké částice.

Zdroj: https://scitechdaily.com/black-hole-mergers-could-be-hiding-mysterious-new-particles/

autor: František Martinek