Los bosones ultraligeros son partículas hipotéticas cuya masa se predice que es menos de una mil millonésima parte de la masa de un electrón. Interactúan relativamente poco con su entorno y hasta ahora han eludido las búsquedas para confirmar su existencia. Si existen, los bosones ultraligeros como los axionesprobablemente sería una forma de materia oscura, la materia misteriosa e invisible que constituye el 85 por ciento de la materia en el universo.
Ahora, los físicos del Laboratorio LIGO del MIT han buscado bosones ultraligeros utilizando agujeros negros, objetos que son alucinantes órdenes de magnitud más masivos que las propias partículas. Según las predicciones de la teoría cuántica, un agujero negro de cierta masadeberían atraer nubes de bosones ultraligeros, que a su vez deberían ralentizar colectivamente el giro de un agujero negro. Si las partículas existen, entonces todos los agujeros negros de una masa particular deberían tener espines relativamente bajos.
Pero los físicos han descubierto que dos agujeros negros detectados previamente están girando demasiado rápido para haber sido afectados por cualquier bosón ultraligero. Debido a sus grandes giros, la existencia de los agujeros negros descarta la existencia de bosones ultraligeros con masas entre 1.3x10-13 electronvoltios y 2,7x10-13 electronvoltios, alrededor de una quintillonésima parte de la masa de un electrón.
Los resultados del equipo, publicados hoy en Cartas de revisión física , reducir aún más la búsqueda de axiones y otros bosones ultraligeros. El estudio también es el primero en utilizar los giros de los agujeros negros detectados por LIGO y Virgo, y los datos de ondas gravitacionales, para buscar materia oscura.
"Hay diferentes tipos de bosones, y hemos probado uno", dice el coautor Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT. "Puede haber otros, y podemos aplicar este análisis al creciente conjunto de datos que LIGO yVirgo proporcionará durante los próximos años ".
Los coautores de Vitale son el autor principal Kwan Yeung Ken Ng, estudiante graduado del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, junto con investigadores de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos y la Universidad China de Hong Kong.
Energía de un carrusel
Se están buscando bosones ultraligeros en una amplia gama de masas superligeras, desde 1x10-33 electronvoltios hasta 1x10-6 electronvoltios. Hasta ahora, los científicos han utilizado experimentos de mesa y observaciones astrofísicas para descartar astillas de este amplio espacio de masas posibles.Desde principios de la década de 2000, los físicos propusieron que los agujeros negros podrían ser otro medio para detectar bosones ultraligeros, debido a un efecto conocido como superradiancia.
Si existen bosones ultraligeros, podrían interactuar con un agujero negro en las circunstancias adecuadas. La teoría cuántica postula que a una escala muy pequeña, las partículas no pueden ser descritas por la física clásica, ni siquiera como objetos individuales. Esta escala, conocida como Comptonlongitud de onda, es inversamente proporcional a la masa de la partícula.
Como los bosones ultraligeros son excepcionalmente ligeros, se predice que su longitud de onda será excepcionalmente grande. Para un cierto rango de masa de bosones, su longitud de onda puede ser comparable al tamaño de un agujero negro. Cuando esto sucede, se espera que la superradiancia se desarrolle rápidamente.Luego, se crean bosones ultraligeros a partir del vacío alrededor de un agujero negro, en cantidades lo suficientemente grandes como para que las pequeñas partículas se arrastren colectivamente en el agujero negro y ralenticen su giro.
"Si saltas y luego bajas de un carrusel, puedes robar energía del carrusel", dice Vitale. "Estos bosones hacen lo mismo con un agujero negro".
Los científicos creen que esta desaceleración de los bosones puede ocurrir durante varios miles de años, relativamente rápido en escalas de tiempo astrofísicas.
"Si existen bosones, esperaríamos que los viejos agujeros negros de la masa apropiada no tuvieran espines grandes, ya que las nubes de bosones habrían extraído la mayor parte", dice Ng. "Esto implica que el descubrimiento de un agujero negrocon grandes espines puede descartar la existencia de bosones con ciertas masas.
Girar hacia arriba, girar hacia abajo
Ng y Vitale aplicaron este razonamiento a las mediciones de agujeros negros realizadas por LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser y su detector asociado Virgo. Los detectores "escuchan" ondas gravitacionales o reverberaciones de cataclismos lejanos, como la fusiónagujeros negros, conocidos como binarios.
En su estudio, el equipo examinó los 45 binarios de agujeros negros informados por LIGO y Virgo hasta la fecha. Las masas de estos agujeros negros, entre 10 y 70 veces la masa del sol, indican que si hubieran interactuado conbosones ultraligeros, las partículas habrían tenido una masa de entre 1x10-13 electronvoltios y 2x10-11 electronvoltios.
Para cada agujero negro, el equipo calculó el giro que debería tener si el agujero negro fuera hecho girar hacia abajo por bosones ultraligeros dentro del rango de masa correspondiente. De su análisis, se destacaron dos agujeros negros: GW190412 y GW190517. Al igual que hayuna velocidad máxima para los objetos físicos, la velocidad de la luz, hay un giro superior en el que los agujeros negros pueden girar. GW190517 gira cerca de ese máximo. Los investigadores calcularon que si existieran bosones ultraligeros, habrían arrastrado su giro.por un factor de dos.
"Si existen, estas cosas habrían absorbido mucho momento angular", dice Vitale. "Son realmente vampiros".
Los investigadores también tuvieron en cuenta otros posibles escenarios para generar los grandes giros de los agujeros negros, al tiempo que permiten la existencia de bosones ultraligeros. Por ejemplo, un agujero negro podría haber sido hecho girar hacia abajo por bosones pero luego acelerarse nuevamente a través de interaccionescon el disco de acreción circundante, un disco de materia del que el agujero negro podría absorber energía e impulso.
"Si hace los cálculos, encontrará que se tarda demasiado en hacer girar un agujero negro al nivel que vemos aquí", dice Ng. "Entonces, podemos ignorar con seguridad este efecto de giro".
En otras palabras, es poco probable que los altos giros de los agujeros negros se deban a un escenario alternativo en el que también existen bosones ultraligeros. Dadas las masas y los altos giros de ambos agujeros negros, los investigadores pudieron descartar la existencia de ultraligerosbosones con masas entre 1.3x10-13 electronvoltios y 2.7x10-13 electronvoltios.
"Básicamente hemos excluido algún tipo de bosones en este rango de masas", dice Vitale. "Este trabajo también muestra cómo las detecciones de ondas gravitacionales pueden contribuir a la búsqueda de partículas elementales".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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