Bósons ultraleves são partículas hipotéticas cuja massa é estimada em menos de um bilionésimo da massa de um elétron. Eles interagem relativamente pouco com seus arredores e, até agora, escaparam de pesquisas para confirmar sua existência. Se eles existem, bósons ultraleves, como axions, provavelmente seriam uma forma de matéria escura, o misterioso, material invisível que constitui 85 por cento da matéria no universo.

Agora, Físicos do Laboratório LIGO do MIT pesquisaram bósons ultraleves usando buracos negros - objetos que são ordens de magnitude mais massivas do que as próprias partículas. De acordo com as previsões da teoria quântica, um buraco negro de uma certa massa deve atrair nuvens de bósons ultraleves, o que, por sua vez, deve reduzir coletivamente a rotação de um buraco negro. Se as partículas existem, então, todos os buracos negros de uma determinada massa devem ter spins relativamente baixos.

Mas os físicos descobriram que dois buracos negros detectados anteriormente estão girando rápido demais para serem afetados por qualquer bóson ultraleve. Por causa de seus grandes giros, a existência de buracos negros descarta a existência de bósons ultraleves com massas entre 1,3x10 ^-13 elétronvolts e 2,7x10 ^-13 elétronvolts - cerca de um quintilionésimo da massa de um elétron.

Os resultados da equipe, publicado hoje em Cartas de revisão física , restringir ainda mais a busca por axions e outros bósons ultraleves. O estudo também é o primeiro a usar os spins dos buracos negros detectados pelo LIGO e pelo Virgo, e dados de ondas gravitacionais, para procurar matéria escura.

"Existem diferentes tipos de bósons, e nós investigamos um, "diz o co-autor Salvatore Vitale, professor assistente de física no MIT. "Pode haver outros, e podemos aplicar essa análise ao crescente conjunto de dados que LIGO e Virgo fornecerão nos próximos anos. "

Os co-autores de Vitale são o autor principal Kwan Yeung (Ken) Ng, um estudante de pós-graduação no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, junto com pesquisadores da Utrecht University na Holanda e da Chinese University of Hong Kong.

A energia de um carrossel

Bósons ultraleves estão sendo pesquisados ​​em uma ampla gama de massas superleves, de 1x10 ^-33 elétronvolts para 1x10 ^-6 eletronvolts. Os cientistas até agora usaram experimentos de mesa e observações astrofísicas para descartar lascas desse amplo espaço de massas possíveis. Desde o início dos anos 2000, os físicos propuseram que os buracos negros poderiam ser outro meio de detectar bósons ultraleves, devido a um efeito conhecido como superradiance.

Se bósons ultraleves existem, eles poderiam interagir com um buraco negro nas circunstâncias certas. A teoria quântica postula que, em uma escala muito pequena, partículas não podem ser descritas pela física clássica, ou mesmo como objetos individuais. Esta escala, conhecido como comprimento de onda Compton, é inversamente proporcional à massa da partícula.

Como os bósons ultraleves são excepcionalmente leves, seu comprimento de onda é previsto para ser excepcionalmente grande. Para uma certa faixa de massa de bósons, seu comprimento de onda pode ser comparável ao tamanho de um buraco negro. Quando isso acontece, espera-se que a superradiância se desenvolva rapidamente. Bósons ultraleves são então criados a partir do vácuo em torno de um buraco negro, em quantidades grandes o suficiente para que as partículas minúsculas coletivamente arrastem o buraco negro e diminuam sua rotação.

"Se você pular para cima e para baixo de um carrossel, você pode roubar energia do carrossel, "Vitale diz." Esses bósons fazem a mesma coisa com um buraco negro. "

Os cientistas acreditam que essa desaceleração do bóson pode ocorrer ao longo de vários milhares de anos - relativamente rápido em escalas de tempo astrofísicas.

"Se bósons existem, esperaríamos que buracos negros antigos com a massa apropriada não tivessem grandes spins, já que as nuvens do bóson teriam extraído a maior parte dele, "Ng diz." Isso implica que a descoberta de um buraco negro com grandes spins pode descartar a existência de bósons com certas massas. "

Spin up, girar para baixo

Ng e Vitale aplicaram esse raciocínio às medições do buraco negro feitas pelo LIGO, o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser, e seu detector companheiro Virgo. Os detectores "ouvem" as ondas gravitacionais, ou reverberações de cataclismos distantes, como a fusão de buracos negros, conhecidos como binários.

Em seu estudo, a equipe examinou todos os 45 binários de buracos negros relatados por LIGO e Virgo até o momento. As massas desses buracos negros - entre 10 e 70 vezes a massa do Sol - indicam que se eles tivessem interagido com bósons ultraleves, as partículas estariam entre 1x10 ^-13 elétronvolts e 2x10 ^-11 elétronvolts em massa.

Para cada buraco negro, a equipe calculou o spin que deveria ter se o buraco negro fosse girado para baixo por bósons ultraleves dentro da faixa de massa correspondente. De sua análise, dois buracos negros se destacaram:GW190412 e GW190517. Assim como existe uma velocidade máxima para objetos físicos - a velocidade da luz - existe uma rotação superior na qual os buracos negros podem girar. GW190517 está girando próximo a esse máximo. Os pesquisadores calcularam que se bósons ultraleves existissem, eles teriam diminuído seu spin por um fator de dois.

"Se eles existem, essas coisas teriam sugado muito momento angular, "Vitale diz." Eles são realmente vampiros. "

Os pesquisadores também levaram em conta outros cenários possíveis para gerar grandes spins dos buracos negros, embora ainda permitindo a existência de bósons ultraleves. Por exemplo, um buraco negro poderia ter sido girado para baixo por bósons, mas posteriormente acelerado novamente por meio de interações com o disco de acreção circundante - um disco de matéria do qual o buraco negro poderia sugar energia e momentum.

"Se você fizer a matemática, você acha que demora muito para girar um buraco negro no nível que vemos aqui, "Ng diz." Então, podemos ignorar com segurança esse efeito de spin-up. "

Em outras palavras, é improvável que os altos spins dos buracos negros se devam a um cenário alternativo em que bósons ultraleves também existam. Dadas as massas e altas rotações de ambos os buracos negros, os pesquisadores conseguiram descartar a existência de bósons ultraleves com massas entre 1,3x10 ^-13 elétronvolts e 2,7x10 ^-13 eletronvolts.

"Basicamente excluímos alguns tipos de bósons nesta faixa de massa, "Vitale diz." Este trabalho também mostra como as detecções de ondas gravitacionais podem contribuir para pesquisas por partículas elementares. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.