Certaines théories qui vont au-delà du modèle standard de la physique des particules prédisent l'existence de nouvelles particules ultralégères, avec des masses bien inférieures aux particules les plus légères connues dans la nature. Ces particules ont des interactions si faibles avec la matière ordinaire qu'elles sont difficiles à détecter via des collisionneurs de particules et des détecteurs de matière noire. Cependant, selon un nouvel article des physiciens Daniel Baumann et Horng Sheng Chia de l'Université d'Amsterdam (UvA), avec Rafael Porto de DESY (Hambourg), de telles particules pourraient être détectables dans les signaux d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion des trous noirs. La recherche a été publiée dans Examen physique D cette semaine.

La nature est constituée de deux types de particules :les fermions, le type de particule qui compose la matière solide, et les bosons, le type de particule qui peut propager les interactions. Les bosons ultralégers peuvent former de gros condensats autour des trous noirs en rotation rapide grâce à un processus appelé superradiance. Un trou noir portant un tel nuage de bosons est parfois appelé « atome gravitationnel, " parce que sa configuration ressemble beaucoup à la structure proton-électron dans un atome d'hydrogène, mais à une échelle beaucoup plus grande. Par exemple, tout comme l'électron dans l'atome d'hydrogène, le nuage de bosons autour d'un trou noir peut exister dans un certain nombre d'états différents, chacun avec une énergie particulière.

Empreinte digitale

Dans le cas de l'atome d'hydrogène, les transitions entre ces différents niveaux d'énergie peuvent être induites en projetant un laser sur l'atome. Lorsque l'énergie du laser est exactement la bonne, l'électron peut sauter d'un état à un autre. Un effet similaire peut se produire pour l'atome gravitationnel s'il fait partie d'une paire de trous noirs en orbite l'un autour de l'autre. Dans ce cas, l'influence gravitationnelle du deuxième trou noir jouera le rôle du laser et induira des transitions entre les états énergétiques du nuage de bosons.

Dans les années récentes, les physiciens ont pu mesurer les ondes gravitationnelles – ondulations dans le champ gravitationnel – qui se produisent lorsque des paires de trous noirs fusionnent violemment en un seul. Comme Baumann, Chia et Porto montrent maintenant, la présence de transitions de niveau d'énergie dans le nuage de bosons hypothétique induirait une « empreinte digitale » caractéristique dans les signaux d'ondes gravitationnelles produits par de tels trous noirs en fusion. L'observation d'une telle empreinte digitale serait un test important pour les théories qui prédisent les particules bosoniques ultralégères. Alors que les observations d'ondes gravitationnelles actuelles ne sont pas encore assez sensibles pour observer l'effet, cela deviendra certainement une cible importante des futures expériences.