Ultralätta bosoner är hypotetiska partiklar vars massa förutspås vara mindre än en miljarddel av en elektrons massa. De interagerar relativt lite med sin omgivning och har hittills undgått sökningar för att bekräfta sin existens. Om de finns, ultralätta bosoner som axioner skulle sannolikt vara en form av mörk materia, det mystiska, osynliga saker som utgör 85 procent av materien i universum.

Nu, fysiker vid MIT:s LIGO Laboratory har sökt efter ultralätta bosoner med hjälp av svarta hål – föremål som är sinnesböjande storleksordningar mer massiva än partiklarna själva. Enligt kvantteorins förutsägelser, ett svart hål av en viss massa ska dra in moln av ultralätta bosoner, vilket i sin tur kollektivt borde bromsa ett svart håls snurr. Om partiklarna finns, då bör alla svarta hål av en viss massa ha relativt låga snurr.

Men fysikerna har funnit att två tidigare upptäckta svarta hål snurrar för snabbt för att ha påverkats av några ultralätta bosoner. På grund av deras stora snurr, de svarta hålens existens utesluter förekomsten av ultralätta bosoner med massor mellan 1,3x10 ^-13 elektronvolt och 2,7x10 ^-13 elektronvolt - runt en kvintiljondel av en elektrons massa.

Teamets resultat, publiceras idag i Fysiska granskningsbrev , ytterligare begränsa sökningen efter axioner och andra ultralätta bosoner. Studien är också den första som använder snurr av svarta hål som upptäckts av LIGO och Jungfrun, och gravitationsvågdata, att leta efter mörk materia.

"Det finns olika typer av bosoner, och vi har undersökt en, " säger medförfattaren Salvatore Vitale, biträdande professor i fysik vid MIT. "Det kan finnas andra, och vi kan tillämpa denna analys på den växande datamängden som LIGO och Jungfrun kommer att tillhandahålla under de närmaste åren."

Vitales medförfattare är huvudförfattaren Kwan Yeung (Ken) Ng, en doktorand vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, tillsammans med forskare vid Utrecht University i Nederländerna och Chinese University of Hong Kong.

En karusells energi

Ultralätta bosoner letas efter i ett stort antal superlätta massor, från 1x10 ^-33 elektronvolt till 1x10 ^-6 elektronvolt. Forskare har hittills använt experiment med bordsskivor och astrofysiska observationer för att utesluta flisar av detta stora utrymme av möjliga massor. Sedan början av 2000-talet, fysiker föreslog att svarta hål kunde vara ett annat sätt att upptäcka ultralätta bosoner, på grund av en effekt som kallas superstrålning.

Om det finns ultralätta bosoner, de skulle kunna interagera med ett svart hål under rätt omständigheter. Kvantteorin hävdar att i mycket liten skala, partiklar kan inte beskrivas av klassisk fysik, eller till och med som enskilda objekt. Denna skala, känd som Comptons våglängd, är omvänt proportionell mot partikelmassan.

Eftersom ultralätta bosoner är exceptionellt lätta, deras våglängd förutspås vara exceptionellt stor. För en viss mängd bosoner, deras våglängd kan vara jämförbar med storleken på ett svart hål. När detta händer, superstrålning förväntas utvecklas snabbt. Ultralätta bosoner skapas sedan från vakuumet runt ett svart hål, i mängder som är tillräckligt stora för att de små partiklarna tillsammans drar på det svarta hålet och saktar ner dess spinn.

"Om du hoppar på och sedan ner från en karusell, du kan stjäla energi från karusellen, Vitale säger. "Dessa bosoner gör samma sak med ett svart hål."

Forskare tror att denna bosonavmattning kan inträffa under flera tusen år - relativt snabbt på astrofysiska tidsskalor.

"Om det finns bosoner, vi förväntar oss att gamla svarta hål med lämplig massa inte har stora snurr, eftersom bosonmolnen skulle ha extraherat det mesta, " säger Ng. "Detta innebär att upptäckten av ett svart hål med stora snurr kan utesluta förekomsten av bosoner med vissa massor."

Snurra upp, snurra ner

Ng och Vitale tillämpade detta resonemang på mätningar av svarta hål gjorda av LIGO, laserinterferometerns gravitationsvågobservatorium, och dess följeslagare Jungfrun. Detektorerna "lyssnar" efter gravitationsvågor, eller efterklang från avlägsna katastrofer, som att slå samman svarta hål, känd som binärer.

I deras studie, teamet tittade igenom alla 45 svarta håls binärer som rapporterats av LIGO och Jungfrun hittills. Massorna av dessa svarta hål – mellan 10 och 70 gånger solens massa – indikerar att om de hade interagerat med ultralätta bosoner, partiklarna skulle ha varit mellan 1x10 ^-13 elektronvolt och 2x10 ^-11 elektronvolt i massa.

För varje svart hål, laget beräknade spinn som det skulle ha om det svarta hålet snurrades ner av ultralätta bosoner inom motsvarande massintervall. Från deras analys, två svarta hål stod ut:GW190412 och GW190517. Precis som det finns en maximal hastighet för fysiska objekt – ljusets hastighet – finns det ett toppsnurr med vilket svarta hål kan rotera. GW190517 snurrar nära det maxvärdet. Forskarna beräknade att om ultralätta bosoner fanns, de skulle ha släpat sin spin ner med en faktor två.

"Om de finns, dessa saker skulle ha sugit upp mycket vinkelmomentum, Vitale säger. "De är verkligen vampyrer."

Forskarna redogjorde också för andra möjliga scenarier för att generera de svarta hålens stora snurr, samtidigt som det tillåter förekomsten av ultralätta bosoner. Till exempel, ett svart hål kunde ha snurrats ner av bosoner men sedan snabbats upp igen genom växelverkan med den omgivande ackretionsskivan - en skiva av materia från vilken det svarta hålet kunde suga upp energi och fart.

"Om du räknar, du tycker att det tar för lång tid att snurra upp ett svart hål till den nivå som vi ser här, " säger Ng. "Så, vi kan lugnt ignorera denna spin-up-effekt."

Med andra ord, det är osannolikt att de svarta hålens höga snurr beror på ett alternativt scenario där ultralätta bosoner också existerar. Med tanke på massorna och höga snurr av båda svarta hålen, forskarna kunde utesluta förekomsten av ultralätta bosoner med massor mellan 1,3x10 ^-13 elektronvolt och 2,7x10 ^-13 elektronvolt.

"Vi har i princip uteslutit någon typ av bosoner i det här massintervallet, "Vitale säger. "Detta arbete visar också hur gravitationsvågsdetektering kan bidra till sökningar efter elementarpartiklar."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.