Detección de nuevas partículas alrededor de agujeros negros con ondas gravitacionales         

 

Por la Universidad de Amsterdam

07 de junio de 2022.

Un átomo en el cielo. Si existen nuevas partículas ultraligeras, los agujeros negros estarían rodeados por una nube de tales partículas que se comporta sorprendentemente similar a la nube de electrones en un átomo. Cuando otro objeto pesado entra en espiral y finalmente se fusiona con el agujero negro, el átomo gravitacional se ioniza y emite partículas al igual que se emiten los electrones cuando la luz incide sobre un metal. Crédito: Instituto de Física UvA.

 

Se pueden formar nubes de partículas ultraligeras alrededor de los agujeros negros giratorios. Un equipo de físicos de la Universidad  de Amsterdam y la Universidad de Harvard ahora muestran que estas nubes dejarían una huella característica en las ondas gravitacionales emitidas por los agujeros negros binarios.

 

En general, se cree que los agujeros negros se tragan todas las formas de materia y energía que los rodean. Sin embargo, se sabe  desde hace tiempo que también pueden desprenderse de parte de su masa a través de un proceso llamado superradiación. Si bien se sabe que este fenómeno ocurre, solo es efectivo si existen en la naturaleza partículas nuevas, hasta ahora no observadas, con una masa muy baja, como lo predicen varias teorías más allá del modelo estándar de física de partículas.

 

Cuando la masa se extrae de un agujero negro a través de la superradiación, forma una gran nube alrededor del agujero negro,  creando el llamado átomo gravitacional. A pesar del tamaño inmensamente mayor de un átomo gravitacional, la comparación con los átomos submicroscópicos es precisa debido a la similitud del agujero negro más su nube con la estructura familiar de los átomos ordinarios, donde las nubes de electrones rodean un núcleo de protones y neutrones.

 

En una publicación que apareció en Physical Review Letters esta semana, un equipo formado por los físicos de UvA Daniel Baumann, Gianfranco Bertone y Giovanni Maria Tomaselli, y el físico de la Universidad de Harvard John Stout, sugieren que la analogía entre los átomos ordinarios y los gravitatorios es más profunda que solo la similitud en la estructura. Afirman que, de hecho, la semejanza puede explotarse para descubrir nuevas partículas con los próximos interferómetros de ondas gravitacionales.

 

En el nuevo trabajo, los investigadores estudiaron el equivalente gravitatorio del llamado "efecto fotoeléctrico". En este conocido  proceso, que por ejemplo se aprovecha en las células solares para producir una corriente eléctrica, los electrones ordinarios absorben la energía de las partículas de luz incidentes y, por lo tanto, son expulsados ​​de un material: los átomos se "ionizan". En el análogo gravitacional, cuando el átomo gravitacional es parte de un sistema binario de dos objetos pesados, se ve perturbado por la presencia del compañero masivo, que podría ser un segundo agujero negro o una estrella de neutrones. Así como los electrones en el efecto fotoeléctrico absorben la energía de la luz incidente, la nube de partículas ultraligeras puede absorber la energía orbital del compañero, de modo que parte de la nube sea expulsada del átomo gravitacional. 

 

Encontrar nuevas partículas.

 

El equipo demostró que este proceso puede alterar drásticamente la evolución de tales sistemas binarios, reduciendo  significativamente el tiempo requerido para que los componentes se fusionen entre sí. Además, la ionización del átomo gravitatorio aumenta a distancias muy específicas entre los agujeros negros binarios, lo que da lugar a características nítidas en las ondas gravitatorias que detectamos en tales fusiones. Futuros interferómetros de ondas gravitacionales: máquinas similares a los detectores LIGO y Virgo que en los últimos años nos han mostrado las primeras ondas gravitacionales de los agujeros negros. Encontrar las características predichas de los átomos gravitacionales proporcionaría evidencia distintiva de la existencia de nuevas partículas ultraligeras.

 

Fuente:

https://phys.org/news/2022-06-particles-black-holes-gravitational.html