Los bosones ultraligeros son partículas hipotéticas cuya masa se predice que será 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, bosones ultraligeros como los axiones probablemente serían una forma de materia oscura, El misterioso, materia invisible que constituye el 85 por ciento de la materia del 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 masa debería atraer nubes de bosones ultraligeros, lo que a su vez debería 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 bosones ultraligeros. 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, publicado 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 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 y Virgo proporcionarán durante los próximos años ".

Los coautores de Vitale son el autor principal Kwan Yeung (Ken) Ng, estudiante de posgrado en el 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.

La energía de un carrusel

Se están buscando bosones ultraligeros en una amplia gama de masas superligeras, desde 1x10 ^-33 electronvoltios a 1x10 ^-6 electronvoltios. Hasta ahora, los científicos han utilizado experimentos de sobremesa y observaciones astrofísicas para descartar fragmentos 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 muy pequeña escala, las partículas no pueden ser descritas por la física clásica, o incluso como objetos individuales. Esta escala, conocida como la longitud de onda de Compton, 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 pasa, Se espera que la superradiancia se desarrolle rápidamente. A continuación, se crean bosones ultraligeros a partir del vacío alrededor de un agujero negro, en cantidades lo suficientemente grandes como para que las diminutas partículas se arrastren colectivamente sobre el agujero negro y ralenticen su giro.

"Si saltas a un carrusel y luego lo bajas, 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 giros grandes, dado que las nubes de bosones habrían extraído la mayor parte, "Ng dice." Esto implica que el descubrimiento de un agujero negro con grandes espines puede descartar la existencia de bosones con ciertas masas ".

Girar, centrifugar

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 compañero detector Virgo. Los detectores "escuchan" las ondas gravitacionales, o reverberaciones de cataclismos lejanos, como fusionar agujeros 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 con bosones ultraligeros, las partículas habrían estado entre 1x10 ^-13 electronvoltios y 2x10 ^-11 electronvoltios en masa.

Por 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. Así como existe una velocidad máxima para los objetos físicos, la velocidad de la luz, hay un giro superior al que pueden rotar los agujeros negros. GW190517 gira cerca de ese máximo. Los investigadores calcularon que si existieran bosones ultraligeros, habrían reducido su giro en 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, sin dejar de permitir la existencia de bosones ultraligeros. Por ejemplo, un agujero negro podría haber sido hecho girar hacia abajo por bosones, pero luego volvió a acelerarse a través de interacciones con el disco de acreción circundante, un disco de materia del que el agujero negro podría absorber energía e impulso.

"Si haces los cálculos, encuentra que lleva demasiado tiempo hacer girar un agujero negro al nivel que vemos aquí, "Ng dice". 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 bosones ultraligeros con masas entre 1.3x10 ^-13 electronvoltios y 2.7x10 ^-13 electronvoltios.

"Básicamente, hemos excluido algún tipo de bosones en este rango de masas, "Este trabajo también muestra cómo las detecciones de ondas gravitacionales pueden contribuir a la búsqueda de partículas elementales", dice Vitale.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.