Черные дыры помогут обнаружить новые частицы

Некоторые теории, выходящие за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, предсказывают существование новых, сверхлегких частиц, которые весят намного меньше самых легких из известных частиц. При очень слабом взаимодействии этих частиц с обычным веществом их крайне сложно зарегистрировать на обычных ускорителях частиц и датчиках темной материи. Однако физики Дэниел Бауманн и Хорнг Шэн Чиа из Амстердамского университета, а также Рафаэль Порто из DESY в Гамбурге показали, что такие частицы можно зарегистрировать в сигналах гравитационных волн от слияния черных дыр. Их статья опубликована в журнале Physical Review D.

Природа состоит из двух типов частиц: фермионов, из которых сформировано все вещество, и бозонов, переносящих взаимодействия. Сверхлегкие бозоны могут создавать большие конденсаты вокруг быстровращающихся черных дыр в процессе сверхизлучения. Черную дыру с таким бозонным облаком иногда называют «гравитационным атомом», так как ее конфигурация сильно напоминает — пусть и на гораздо большем масштабе — протон-электронную структуру атома водорода. Например, как и электрон в атоме водорода, бозонное облако вокруг черной дыры может находиться в нескольких разных состояниях, каждое из которых будет обладать конкретной энергией.

В случае с атомом водорода переходы между этими разными энергетическими уровнями можно спровоцировать, направив лазер на атом. При правильной энергии лазера электрон способен «перепрыгивать» с одного состояния в другое. Схожий эффект может присутствовать и в гравитационном атоме, если он является частью пары сливающихся черных дыр. В этом случае гравитационное влияние второй черной дыры сыграет роль «лазера» и спровоцирует переходы бозонного облака между разными энергетическими уровнями.

Не так давно у физиков появилась возможность измерять гравитационные волны — рябь в гравитационном поле, — происходящие при слиянии пары черных дыр в одну. Как показали Бауманн, Чиа и Порто, присутствие переходов между энергетическими уровнями в гипотетическом бозонном облаке должно оставить «отпечаток» в сигналах гравитационных волн, производимых такими сливающимися черными дырами. Наблюдение такого отпечатка стало бы важным испытанием для теорий, предсказывающих сверхлегкие бозонные частицы. Несмотря на то что современные гравитационно-волновые наблюдения пока недостаточно чувствительны для наблюдения такого эффекта, это непременно станет одной из важных целей будущих экспериментов.