用引力波探测黑洞周围的新粒子

天空中的一个原子。 如果存在新的超轻粒子,黑洞将被这样的粒子云所包围,这些粒子的行为与原子中的电子云惊人地相似。 当另一个重物盘旋进入并最终与黑洞合并时,引力原子被电离并发射粒子,就像光照射到金属上时发射电子一样。 学分:UvA 物理研究所

超轻粒子云可以在旋转的黑洞周围形成。 阿姆斯特丹大学和哈佛大学的一组物理学家现在表明,这些云会在双黑洞发出的引力波上留下特征印记。

黑洞通常被认为会吞噬周围所有形式的物质和能量。 然而,人们早就知道,它们也可以通过称为超辐射的过程释放一些质量。 虽然已知会发生这种现象,但它只有在自然界中存在质量非常低的新的、迄今为止未被观测到的粒子时才有效,正如粒子物理学标准模型之外的几种理论所预测的那样。

电离引力原子

当通过超辐射从黑洞中提取质量时,它会在黑洞周围形成一个大云,形成所谓的引力原子。 尽管引力原子的尺寸要大得多,但与亚微观原子的比较是准确的,因为黑洞及其云与普通原子的熟悉结构相似,其中电子云围绕质子和中子核心。

在本周发表在《物理评测快报》上的一篇文章中,由 UvA 物理学家 Daniel Baumann、Gianfranco Bertone 和 Giovanni Maria Tomaselli 以及哈佛大学物理学家 John Stout 组成的团队表明,普通原子和引力原子之间的类比比仅仅结构相似。 他们声称,这种相似性实际上可以被利用来发现即将推出的引力波干涉仪的新粒子。

在这项新工作中,研究人员研究了所谓的“光电效应”的引力当量。 在这个众所周知的过程中,对于 example 在太阳能电池中被利用来产生电流,普通电子吸收入射光粒子的能量,从而从材料中喷射出来——原子“电离”。 在引力模拟中,当引力原子是两个重物体的二元系统的一部分时,它会受到大质量伴星的干扰,伴星可能是第二个黑洞或中子星。 就像光电效应中的电子吸收入射光的能量一样,超轻粒子云可以吸收伴星的轨道能量,从而使部分云从引力原子中弹出。

寻找新粒子

该团队证明,这个过程可能会极大地改变这种二进制系统的演变,显着减少组件相互合并所需的时间。 此外,引力原子的电离在双黑洞之间非常特定的距离处得到增强,这导致我们从这种合并中检测到的引力波中有明显的特征。 未来的引力波干涉仪——类似于 LIGO 和 Virgo 探测器的机器,在过去几年向我们展示了来自黑洞的第一批引力波——可以观察到这些效应。 从引力原子中找到预测的特征将为新超轻粒子的存在提供独特的证据。