Algunas teorías que van más allá del Modelo Estándar de física de partículas predicen la existencia de nuevas partículas ultraligeras, con masas muy por debajo de las partículas más ligeras conocidas en la naturaleza. Estas partículas tienen interacciones tan débiles con la materia ordinaria que son difíciles de detectar mediante colisionadores de partículas y detectores de materia oscura. Sin embargo, según un nuevo artículo de los físicos Daniel Baumann y Horng Sheng Chia de la Universidad de Amsterdam (UvA), junto a Rafael Porto de DESY (Hamburgo), tales partículas podrían ser detectables en señales de ondas gravitacionales que se originan en la fusión de agujeros negros. La investigación fue publicada en Revisión física D esta semana.

La naturaleza consta de dos tipos de partículas:fermiones, el tipo de partícula que forma la materia sólida, y bosones, el tipo de partícula que puede propagar interacciones. Los bosones ultraligeros pueden formar grandes condensados ​​alrededor de agujeros negros que giran rápidamente a través de un proceso llamado superradiancia. Un agujero negro que lleva una nube de bosones de este tipo a veces se denomina "átomo gravitacional, "debido a que su configuración se parece mucho a la estructura protón-electrón en un átomo de hidrógeno, pero a una escala mucho mayor. Por ejemplo, al igual que el electrón en el átomo de hidrógeno, la nube de bosones alrededor de un agujero negro puede existir en varios estados diferentes, cada uno con una energía particular.

Huella dactilar

En el caso del átomo de hidrógeno, Las transiciones entre estos diferentes niveles de energía se pueden inducir al iluminar el átomo con un láser. Cuando la energía del láser es exactamente correcta, el electrón puede saltar de un estado a otro. Un efecto similar puede ocurrir para el átomo gravitacional si es parte de un par de agujeros negros que orbitan entre sí. En ese caso, la influencia gravitacional del segundo agujero negro jugará el papel del láser e inducirá transiciones entre los estados de energía de la nube de bosones.

En años recientes, Los físicos han podido medir ondas gravitacionales (ondas en el campo gravitacional) que ocurren cuando pares de agujeros negros se fusionan violentamente en uno solo. Como Baumann, Chia y Porto ahora muestran, la presencia de transiciones de nivel de energía en la hipotética nube de bosones induciría una "huella dactilar" característica en las señales de ondas gravitacionales producidas por tales agujeros negros fusionados. Observar tal huella dactilar sería una prueba importante para las teorías que predicen partículas bosónicas ultraligeras. Si bien las observaciones actuales de ondas gravitacionales aún no son lo suficientemente sensibles para observar el efecto, esto sin duda se convertirá en un objetivo importante de experimentos futuros.