Черные дыры помогут открыть новые сверхлегкие частицы

Некоторые теории, выходящие за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, предсказывают существование новых сверхлегких частиц, массы которых значительно меньше самых легких из известных науке. Они очень слабо взаимодействуют с обычной материей, поэтому их трудно обнаружить с помощью коллайдеров и детекторов темной материи. Однако в новой работе ученые показали, что такие частицы могут быть обнаружены в сигналах гравитационных волн, возникающих в результате слияния черных дыр. Статья исследователей опубликована на сайте препринтов статей ArXiv.org. Природа состоит из двух типов частиц, один из которых физики называют фермионами (они составляют твердую материю), а другой бозонами (они отвечают за распространение взаимодействия). Сверхлегкие бозоны могут образовывать большие конденсаты вокруг быстро вращающихся черных дыр в процессе, называемом сверхизлучением. Черную дыру, несущую такое бозонное облако, иногда называют «гравитационным атомом», потому что ее конфигурация очень напоминает протон-электронную структуру в атоме водорода, но в гораздо большем масштабе. В случае атома водорода переходы между этими различными уровнями энергии могут быть индуцированы при воздействии лазерного излучения на атом. Когда энергия лазера подобрана точно, электрон может «перепрыгнуть» из одного состояния в другое. 

Аналогичный эффект может произойти для гравитационного атома, если он является частью пары черных дыр, вращающихся вокруг друг друга. В этом случае гравитационное влияние второй черной дыры будет играть роль «лазера» и вызывать переходы между энергетическими состояниями бозонного облака.

В последние годы физики смогли измерить гравитационные волны, которые возникают, когда две черных дыры сливаются в одну. Как теперь показывают ученые, наличие переходов энергетических уровней в гипотетическом бозонном облаке будет вызывать характерный «отпечаток» в сигналах гравитационных волн, создаваемых такими сливающимися черными дырами. Наблюдение такого «отпечатка» было бы важным подтверждением для теорий, предсказывающих сверхлегкие бозонные частицы. Хотя текущие наблюдения гравитационных волн еще недостаточно чувствительны, чтобы наблюдать эффект, это станет целью будущих экспериментов.