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能否利用黑洞發現新粒子?

8月
07
2019

2019年8月07日19時 今日科學 博科園

博科園

一些超越粒子物理學標準模型的理論預測了新的超輕粒子存在,其質量遠遠低於自然界中已知最輕粒子。當這些粒子與普通物質的相互作用非常微弱時,粒子對撞機和暗物質探測器很難探測到它們。然而,正如阿姆斯特丹大學(UvA)的物理學家丹尼爾·鮑曼(Daniel Baumann)和洪勝家(Horng Sheng Chia)與德國德西大學(DESY)的拉斐爾·波爾圖(Rafael

Porto)共同發表的一篇新論文所顯示那樣:這些粒子可以在來自黑洞合併的引力波信號中被探測到,這項研究發表在《物理評論》上。自然界由兩種粒子組成,一種是物理學家稱為費米子的構成固體物質粒子,另一種稱為玻色子的可以傳播相互作用的粒子。

博科園-科學科普:超輕玻色子可以通過一種叫做超輻射的過程,在快速旋轉的黑洞周圍形成大冷凝物。攜帶這種玻色子云的黑洞有時被稱為「引力原子」,因為它的結構在更大尺度上與氫原子的質子電子結構非常相似。例如,就像氫原子中的電子一樣,黑洞周圍的玻色子云可以有多種不同的狀態,每種狀態都有特定的能量。

在氫原子的例子中,這些不同能級之間的躍遷可以通過將雷射照射到原子上而引起。當雷射的能量完全正確時,電子可以從一種狀態「躍遷」到另一種狀態。如果引力原子是一對相互環繞的黑洞的一部分,也會發生類似的效應。在這種情況下,第二個黑洞的引力作用將扮演「雷射」的角色,並誘導玻色子云能量狀態之間的轉變。

特徵指紋

近年來,物理學家已經能夠測量引力波(引力場中的漣漪)當一對黑洞猛烈地合併成一個黑洞時產生的引力波。正如鮑曼、謝亞和波爾圖現在所展示的那樣,在假想的玻色子云中存在能級躍遷,將會在這種黑洞合併產生的引力波信號中產生一個特徵「指紋」。觀察這樣的指紋將是對預測超輕玻色子理論的一個重要檢驗。雖然目前的引力波觀測還不夠靈敏,不足以觀察到這種效應,但這肯定會成為未來實驗的一個重要目標。研究黑洞周圍超輕玻色子云的引力波特徵,這些雲是通過快速旋轉黑洞的超輻射不穩定性形成,在黑洞質量和自旋的總體中產生明顯的影響,並產生連續的單色GW信號。

兩個黑洞在近距離環繞對方運行,其中一個黑洞攜帶著一團超輕玻色子。新的計算結果表明,玻色子云存在將導致黑洞對發出的引力波信號中出現明顯指紋。圖片:D. Baumann

雙星存在極大地豐富了系統的動力學演化,最顯著的是通過雲增長和衰減模式之間的共振躍遷的存在(類似於原子物理學中的Rabi振蕩)。這些共振對當前和未來的GW探測器具有豐富的現象學意義。值得注意的是,來自雲的GW信號振幅可能會降低,在許多情況下,在雙星合併之前就終止了。玻色子云存在還可以通過有限尺寸效應的印記,如自旋誘導的多極矩和潮汐愛數值,在雙星的GW信號中顯示出來。在共振過程中,雲的能量密度隨時間的變化,使得有限尺寸項對波形的貢獻呈現出明顯的特徵,或者至少是衰減。對這些效應的觀察將通過精確的GW數據來約束假定的超輕玻色子的性質,從而提供超越標準模型的物理學新探頭。

博科園-科學科普|研究/來自: 阿姆斯特丹大學

參考期刊文獻:《arXiv》,《物理評論D》

Cite: arXiv:1804.03208


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