Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
EN

Sommige theorieën die verder gaan dan het Standaardmodel van de elementairedeeltjesfysica voorspellen dat er nieuwe, ultralichte deeltjes bestaan met veel kleinere massa’s dan die van de lichtste bekende deeltjes in de natuur. Als deze nieuwe deeltjes maar een heel zwakke wisselwerking hebben met gewone materie, zijn ze erg moeilijk te detecteren in deeltjesversnellers en donkeremateriedetectoren. Een nieuw artikel van natuurkundigen Daniel Baumann en Horng Sheng Chia van de Universiteit van Amsterdam (UvA), samen met Rafael Porto van DESY (Hamburg), laat nu zien dat het bestaan van zulke deeltjes mogelijk wél meetbaar is in de signalen van zwaartekrachtgolven afkomstig van samensmeltende zwarte gaten. Hun onderzoek werd deze week gepubliceerd in Physical Review D.

Twee zwarte gaten, waarvan er één een wolk van ultralichte bosonen om zich heen heeft, draaien op korte afstand om elkaar heen. De nieuwe berekeningen laten zien dat de aanwezigheid van de bosonwolk leidt tot een duidelijke vingerafdruk in het signaal van zwaartekrachtgolven dat het paar van zwarte gaten uitzendt. Afbeelding: D. Baumann.

De natuur bestaat uit twee soorten deeltjes: een die natuurkundigen fermionen noemen – het soort deeltje waaruit vaste materie bestaat – en een andere soort met de naam bosonen – het soort deeltje dat interacties kan overbrengen. Rond snel draaiende zwarte gaten kunnen ultralichte bosonen grote condensaten vormen dankzij een proces dat met een Engelse term superradiance wordt genoemd. Een zwart gat dat zo’n bosonwolk om zich heen heeft, heet ook wel een ‘gravitationeel atoom’, omdat zijn configuratie erg lijkt op de proton-elektronstructuur van een waterstofatoom – maar dan op veel grotere schaal. Zo kan de bosonwolk rond een zwart gat, net als het elektron in een waterstofatoom, in een aanal verschillende toestanden zijn, elk met een bijbehorende energie.

Vingerafdruk

In het geval van een waterstofatoom kunnen overgangen tussen zulke energieniveaus veroorzaakt worden door bijvoorbeeld met een laser op het atoom te schijnen. Wanneer de energie van de laser precies klopt, kan het elektron van de ene naar de andere toestand ‘springen’. Een soortgelijk effect bestaat voor het gravtationele atoom wanneer het deel uitmaakt van een tweetal zwarte gaten die om elkaar heen draaien. In dat geval speelt de zwaartekrachtinvloed van het tweede zwarte gat de rol van de ‘laser’ waarmee de overgangen tussen de energietoestanden van de bosonwolk gestimuleerd worden.

Sinds enkele jaren zijn natuurkundigen in staat om zwaartekrachtgolven te meten – de kleine trillingen in het zwaartekrachtveld die ontstaan wanneer paren van zwarte gaten met groot geweld ineenstorten tot één zwart gat. Wat Baumann, Chia en Porto laten zien, is dat de aanwezigheid van energieovergangen in de hypothetische bosonwolk zorgt voor een karakteristieke ‘vingerafdruk’ in het signaal van zwaartekrachtgolven dat door zulke samensmeltende zwarte gaten wordt geproduceerd. Het waarnemen van die vingerafdruk zou een belangrijke test zijn voor theorieën die ultralichte bosonische deeltjes voorspellen. Hoewel de huidige metingen van zwaartekrachtgolven nog niet gevoelig genoeg zijn om dit effect waar te nemen, zal dit zeker een belangrijk doel zijn voor toekomstige experimenten.

Referentie

Daniel Baumann, Horng Sheng Chia en Rafael A. Porto, ‘Probing Ultralight Bosons with Binary Black Holes’ in Physical Review D 99, 044001.