Alcune teorie che vanno oltre il Modello Standard della fisica delle particelle prevedono l'esistenza di nuove particelle ultraleggere, con masse molto al di sotto delle particelle più leggere conosciute in natura. Queste particelle hanno interazioni così deboli con la materia ordinaria che sono difficili da rilevare tramite collisori di particelle e rilevatori di materia oscura. Però, secondo un nuovo articolo dei fisici Daniel Baumann e Horng Sheng Chia dell'Università di Amsterdam (UvA), insieme a Rafael Porto di DESY (Amburgo), tali particelle potrebbero essere rilevabili nei segnali di onde gravitazionali provenienti dalla fusione dei buchi neri. La ricerca è stata pubblicata su Revisione fisica D questa settimana.

La natura è costituita da due tipi di particelle:fermioni, il tipo di particella che costituisce la materia solida, e bosoni, il tipo di particella che può propagare le interazioni. I bosoni ultraleggeri possono formare grandi condensati attorno a buchi neri in rapida rotazione attraverso un processo chiamato superradianza. Un buco nero che trasporta una tale nube di bosoni è talvolta chiamato "atomo gravitazionale, " perché la sua configurazione ricorda da vicino la struttura protone-elettrone in un atomo di idrogeno, ma su scala molto più ampia. Per esempio, proprio come l'elettrone nell'atomo di idrogeno, la nube bosonica attorno a un buco nero può esistere in un certo numero di stati diversi, ciascuno con una particolare energia.

impronta digitale

Nel caso dell'atomo di idrogeno, le transizioni tra questi diversi livelli di energia possono essere indotte puntando un laser sull'atomo. Quando l'energia del laser è esattamente giusta, l'elettrone può saltare da uno stato all'altro. Un effetto simile può verificarsi per l'atomo gravitazionale se fa parte di una coppia di buchi neri in orbita l'uno rispetto all'altro. In quel caso, l'influenza gravitazionale del secondo buco nero svolgerà il ruolo del laser e indurrà le transizioni tra gli stati energetici della nuvola di bosoni.

Negli ultimi anni, i fisici sono stati in grado di misurare le onde gravitazionali – increspature nel campo gravitazionale – che si verificano quando coppie di buchi neri si fondono violentemente in uno solo. Come Baumann, Chia e Porto ora mostrano, la presenza di transizioni di livello energetico nell'ipotetica nuvola di bosoni indurrebbe una caratteristica "impronta digitale" nei segnali delle onde gravitazionali prodotti da tali buchi neri in fusione. L'osservazione di una tale impronta digitale sarebbe un test importante per le teorie che predicono le particelle bosoniche ultraleggere. Sebbene le attuali osservazioni delle onde gravitazionali non siano ancora abbastanza sensibili per osservare l'effetto, questo diventerà sicuramente un obiettivo importante di futuri esperimenti.