I bosoni ultraleggeri sono particelle ipotetiche la cui massa è prevista essere inferiore a un miliardesimo della massa di un elettrone. Interagiscono relativamente poco con l'ambiente circostante e finora hanno eluso le ricerche per confermare la loro esistenza. Se esistono, i bosoni ultraleggeri come gli assioni sarebbero probabilmente una forma di materia oscura, il misterioso, roba invisibile che costituisce l'85 per cento della materia nell'universo.

Ora, i fisici del LIGO Laboratory del MIT hanno cercato bosoni ultraleggeri usando i buchi neri, oggetti che sono incredibili ordini di grandezza più massicci delle particelle stesse. Secondo le previsioni della teoria quantistica, un buco nero di una certa massa dovrebbe attirare nuvole di bosoni ultraleggeri, che a sua volta dovrebbe rallentare collettivamente la rotazione di un buco nero. Se le particelle esistono, allora tutti i buchi neri di una massa particolare dovrebbero avere spin relativamente bassi.

Ma i fisici hanno scoperto che due buchi neri precedentemente rilevati ruotano troppo velocemente per essere stati colpiti da bosoni ultraleggeri. A causa dei loro grandi giri, l'esistenza dei buchi neri esclude l'esistenza di bosoni ultraleggeri con masse comprese tra 1.3x10 ^-13 elettronvolt e 2.7x10 ^-13 elettronvolt:circa un quintilionesimo della massa di un elettrone.

I risultati della squadra, pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , restringere ulteriormente la ricerca di assioni e altri bosoni ultraleggeri. Lo studio è anche il primo ad utilizzare gli spin dei buchi neri rilevati da LIGO e Virgo, e dati di onde gravitazionali, per cercare la materia oscura.

"Ci sono diversi tipi di bosoni, e ne abbiamo sondato uno, " afferma il coautore Salvatore Vitale, assistente professore di fisica al MIT. "Ci possono essere altri, e possiamo applicare questa analisi al crescente set di dati che LIGO e Virgo forniranno nei prossimi anni".

I coautori di Vitale sono l'autore principale Kwan Yeung (Ken) Ng, uno studente laureato presso l'Istituto Kavli per l'astrofisica e la ricerca spaziale del MIT, insieme ai ricercatori dell'Università di Utrecht nei Paesi Bassi e dell'Università cinese di Hong Kong.

L'energia di una giostra

I bosoni ultraleggeri vengono ricercati in una vasta gamma di masse superleggere, da 1x10 ^-33 elettronvolt a 1x10 ^-6 elettronvolt. Gli scienziati hanno finora utilizzato esperimenti da tavolo e osservazioni astrofisiche per escludere frammenti di questo ampio spazio di possibili masse. Dai primi anni 2000, i fisici hanno proposto che i buchi neri potrebbero essere un altro mezzo per rilevare i bosoni ultraleggeri, a causa di un effetto noto come superradianza.

Se esistono bosoni ultraleggeri, potrebbero interagire con un buco nero nelle giuste circostanze. La teoria quantistica postula che su scala molto piccola, le particelle non possono essere descritte dalla fisica classica, o anche come singoli oggetti. Questa scala, nota come lunghezza d'onda di Compton, è inversamente proporzionale alla massa della particella.

Poiché i bosoni ultraleggeri sono eccezionalmente leggeri, si prevede che la loro lunghezza d'onda sia eccezionalmente grande. Per un certo intervallo di massa dei bosoni, la loro lunghezza d'onda può essere paragonabile alle dimensioni di un buco nero. Quando questo accade, si prevede che il superradiamento si sviluppi rapidamente. I bosoni ultraleggeri vengono quindi creati dal vuoto attorno a un buco nero, in quantità abbastanza grandi che le minuscole particelle si trascinino collettivamente sul buco nero e ne rallentino la rotazione.

"Se salti su e poi giù da una giostra, puoi rubare energia alla giostra, " Dice Vitale. "Questi bosoni fanno la stessa cosa a un buco nero."

Gli scienziati ritengono che questo rallentamento del bosone possa verificarsi nell'arco di diverse migliaia di anni, relativamente rapidamente su scale temporali astrofisiche.

"Se esistono i bosoni, ci aspetteremmo che i vecchi buchi neri della massa appropriata non abbiano grandi spin, poiché le nuvole di bosoni ne avrebbero estratta la maggior parte, "Ng dice. "Ciò implica che la scoperta di un buco nero con grandi spin può escludere l'esistenza di bosoni con determinate masse".

Accelerare, girare giù

Ng e Vitale hanno applicato questo ragionamento alle misurazioni dei buchi neri effettuate da LIGO, l'Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser, e il suo compagno rilevatore Virgo. I rivelatori "ascoltano" le onde gravitazionali, o riverberi di cataclismi lontani, come la fusione di buchi neri, noti come binari.

Nel loro studio, il team ha esaminato tutti i 45 sistemi binari di buchi neri segnalati da LIGO e Virgo fino ad oggi. Le masse di questi buchi neri, tra 10 e 70 volte la massa del sole, indicano che se avessero interagito con bosoni ultraleggeri, le particelle sarebbero state tra 1x10 ^-13 elettronvolt e 2x10 ^-11 elettronvolt in massa.

Per ogni buco nero, il team ha calcolato lo spin che avrebbe dovuto avere se il buco nero fosse stato scomposto da bosoni ultraleggeri all'interno del corrispondente intervallo di massa. Dalla loro analisi, spiccavano due buchi neri:GW190412 e GW190517. Proprio come esiste una velocità massima per gli oggetti fisici, la velocità della luce, esiste uno spin superiore al quale i buchi neri possono ruotare. GW190517 sta girando vicino a quel massimo. I ricercatori hanno calcolato che se esistessero bosoni ultraleggeri, avrebbero ridotto la sua rotazione di un fattore due.

"Se esistono, queste cose avrebbero assorbito molto momento angolare, "Dice Vitale. "Sono davvero dei vampiri."

I ricercatori hanno anche tenuto conto di altri possibili scenari per la generazione di grandi spin dei buchi neri, pur consentendo l'esistenza di bosoni ultraleggeri. Ad esempio, un buco nero potrebbe essere stato sminuzzato dai bosoni, ma poi accelerato nuovamente attraverso le interazioni con il disco di accrescimento circostante, un disco di materia da cui il buco nero potrebbe assorbire energia e quantità di moto.

"Se fai i conti, trovi che ci vuole troppo tempo per far girare un buco nero al livello che vediamo qui, "Ng dice. "Quindi, possiamo tranquillamente ignorare questo effetto spin-up".

In altre parole, è improbabile che gli spin elevati dei buchi neri siano dovuti a uno scenario alternativo in cui esistono anche bosoni ultraleggeri. Date le masse e gli alti spin di entrambi i buchi neri, i ricercatori sono stati in grado di escludere l'esistenza di bosoni ultraleggeri con masse comprese tra 1,3x10 ^-13 elettronvolt e 2.7x10 ^-13 elettronvolt.

"In pratica abbiamo escluso alcuni tipi di bosoni in questo intervallo di massa, " Vitale dice. "Questo lavoro mostra anche come i rilevamenti di onde gravitazionali possono contribuire alla ricerca di particelle elementari".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.