Algunas teorías que van más allá del Modelo Estándar predicen la existencia de nuevas partículas ultraligeras, con masas muy por debajo de las partículas más ligeras conocidas en la naturaleza.

Por ser tan ligeras, tales partículas tienen interacciones tan débiles con la materia ordinaria que son difíciles de detectar mediante métodos tradicionales, como los colisionadores de partículas y los detectores de materia oscura.

Sin embargo, según un nuevo trabajo publicado en la revista científica Physical Review, estas partículas podrían ser detectadas en las señales de ondas gravitacionales originadas por la fusión de agujeros negros.

La influencia de los bosones en los agujeros negros

En la naturaleza se distinguen dos tipos de partículas: los fermiones y los bosones, las cuales tienen características diferentes, como su espín.

Los fermiones son el tipo de partícula de la que esta constituida la materia sólida, y los bosones, el tipo de partícula que propaga las interacciones.

Por lo tanto, en los agujeros negros, las partículas responsables de propagar el intenso campo gravitatorio son los bosones.

La investigación se basa en la existencia de bosones tan ligeros que pueden formar grandes condensados alrededor de agujeros negros que giran rápidamente a través de un proceso llamado superradiancia.

Átomo gravitacional

El fenómeno físico en el cual un agujero negro se encuentra rodeado de bosones recibe el nombre de átomo gravitacional, y es llamado así porque su configuración se asemeja mucho a la estructura protón-electrón de un átomo de hidrógeno.

Los átomos gravitacionales son análogos a la estructura protón-electrón en el átomo de hidrógeno, en el que una nube de electrones se situá alrededor del núcleo. En este caso el “protón” sería el agujero negro y los “electrones” son los bosones. Créditos de imagen: Resonanse science foundation

“Al igual que el electrón en el átomo de hidrógeno, la nube de bosones alrededor de un agujero negro puede existir en varios estados de energía diferente, cada uno con una energía particular” dice Daniel Baumann, investigador de la Universidad de Amsterdam.

Cambios de energía en los agujeros negros

En el caso del átomo de hidrógeno, las transiciones entre los diferentes niveles de energía pueden ser inducidas por el brillo de un láser en el átomo.

Según la física cuántica, cuando la energía del láser es exactamente la correcta, el electrón puede pasar de un estado de energía a otro.

Un efecto similar puede ocurrir para el átomo gravitacional si es parte de un par de agujeros negros que orbitan entre sí.

En ese caso, la influencia gravitacional del segundo agujero negro jugará el papel del láser e inducirá transiciones entre los estados de energía de la nube de bosones.

Dos agujeros negros orbitando entre sí pueden ejercer cambios de energía en la nube de bosones

La “huella dactilar” de las nuevas partículas

En los últimos años, los físicos han sido capaces de medir las ondas gravitacionales, que no son más que las ondas del campo gravitatorio provocadas cuando dos agujeros negros se fusionan violentamente en uno solo.

Como este nuevo estudio muestra, la presencia de transiciones de nivel de energía en la hipotética nube de bosones induciría una característica “huella” en las señales de ondas gravitacionales.

Así, la observación de una “huella dactilar” vendría dada por un cambio de energía y sería una prueba importante para las teorías que predicen partículas bosónicas ultraligeras.

Las ondas gravitacionales de los agujeros negros podrían ayudar a detectar nuevas partículas ultraligeras.
Dos agujeros negros orbitando entre sí a corta distancia, con uno de ellos llevando una nube de bosones. La presencia de bosones llevará a una huella dactilar distinta en la señal de onda gravitacional emitida por los agujeros negros. Fotografía: D. Baumann

Aunque las observaciones de las ondas gravitacionales actuales no son lo suficientemente sensibles como para observar el efecto, ciertamente se convertirá en un objetivo importante en los futuros experimentos.

Con información de: Phys.org y Probing Ultralight Bosons with Binary Black Holes

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