Les bosons ultralégers sont des particules hypothétiques dont la masse est estimée à moins d'un milliardième de la masse d'un électron. Ils interagissent relativement peu avec leur environnement et ont jusqu'à présent échappé aux recherches pour confirmer leur existence. S'ils existent, les bosons ultralégers tels que les axions seraient probablement une forme de matière noire, le mystérieux, des choses invisibles qui constituent 85 % de la matière de l'univers.

Maintenant, Les physiciens du laboratoire LIGO du MIT ont recherché des bosons ultralégers à l'aide de trous noirs, des objets d'ordres de grandeur époustouflants plus massifs que les particules elles-mêmes. Selon les prédictions de la théorie quantique, un trou noir d'une certaine masse devrait attirer des nuages ​​de bosons ultralégers, ce qui à son tour devrait ralentir collectivement la rotation d'un trou noir. Si les particules existent, alors tous les trous noirs d'une masse particulière devraient avoir des spins relativement faibles.

Mais les physiciens ont découvert que deux trous noirs précédemment détectés tournaient trop vite pour avoir été affectés par des bosons ultralégers. En raison de leurs grandes rotations, l'existence des trous noirs exclut l'existence de bosons ultralégers avec des masses comprises entre 1,3x10 ^-13 électronvolts et 2,7x10 ^-13 électronvolts - environ un quintillionième de la masse d'un électron.

Les résultats de l'équipe, publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , affiner davantage la recherche d'axions et d'autres bosons ultralégers. L'étude est également la première à utiliser les spins des trous noirs détectés par LIGO et Virgo, et les données d'ondes gravitationnelles, rechercher la matière noire.

"Il existe différents types de bosons, et nous en avons sondé un, " dit le co-auteur Salvatore Vitale, professeur assistant de physique au MIT. "Il y en a peut-être d'autres, et nous pouvons appliquer cette analyse à l'ensemble de données croissant que LIGO et Virgo fourniront au cours des prochaines années."

Les co-auteurs de Vitale sont l'auteur principal Kwan Yeung (Ken) Ng, un étudiant diplômé de l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT, avec des chercheurs de l'Université d'Utrecht aux Pays-Bas et de l'Université chinoise de Hong Kong.

L'énergie d'un carrousel

Les bosons ultralégers sont recherchés dans une vaste gamme de masses ultralégères, à partir de 1x10 ^-33 électronvolts à 1x10 ^-6 électronvolts. Les scientifiques ont jusqu'à présent utilisé des expériences sur table et des observations astrophysiques pour exclure des fragments de ce vaste espace de masses possibles. Depuis le début des années 2000, les physiciens ont proposé que les trous noirs pourraient être un autre moyen de détecter les bosons ultralégers, en raison d'un effet connu sous le nom de superradiance.

Si des bosons ultralégers existent, ils pourraient interagir avec un trou noir dans les bonnes circonstances. La théorie quantique postule qu'à très petite échelle, les particules ne peuvent pas être décrites par la physique classique, ou même en tant qu'objets individuels. Cette échelle, connue sous le nom de longueur d'onde de Compton, est inversement proportionnel à la masse des particules.

Comme les bosons ultralégers sont exceptionnellement légers, leur longueur d'onde devrait être exceptionnellement grande. Pour une certaine gamme de masse de bosons, leur longueur d'onde peut être comparable à la taille d'un trou noir. Quand cela arrive, la superradiance devrait se développer rapidement. Des bosons ultralégers sont alors créés à partir du vide autour d'un trou noir, en quantités suffisamment importantes pour que les minuscules particules traînent collectivement sur le trou noir et ralentissent sa rotation.

"Si vous sautez sur puis descendez d'un carrousel, vous pouvez voler de l'énergie au carrousel, ", dit Vitale. "Ces bosons font la même chose à un trou noir."

Les scientifiques pensent que ce ralentissement des bosons peut se produire sur plusieurs milliers d'années, relativement rapidement sur des échelles de temps astrophysiques.

« Si les bosons existent, nous nous attendrions à ce que les vieux trous noirs de la masse appropriée n'aient pas de grands spins, puisque les nuages ​​de bosons en auraient extrait la plus grande partie, " dit Ng. "Cela implique que la découverte d'un trou noir avec de grands spins peut exclure l'existence de bosons avec certaines masses."

Tournoiement en haut, tourner vers le bas

Ng et Vitale ont appliqué ce raisonnement aux mesures de trous noirs effectuées par LIGO, l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, et son compagnon détecteur Virgo. Les détecteurs "écoutent" les ondes gravitationnelles, ou réverbérations de cataclysmes lointains, comme la fusion des trous noirs, appelés binaires.

Dans leur étude, l'équipe a examiné les 45 binaires de trous noirs signalés par LIGO et Virgo à ce jour. Les masses de ces trous noirs—entre 10 et 70 fois la masse du soleil—indiquent que s'ils avaient interagi avec des bosons ultralégers, les particules auraient été entre 1x10 ^-13 électronvolts et 2x10 ^-11 électronvolts en masse.

Pour chaque trou noir, l'équipe a calculé la rotation qu'il devrait avoir si le trou noir était entraîné par des bosons ultralégers dans la plage de masse correspondante. De leur analyse, deux trous noirs se démarquent :GW190412 et GW190517. Tout comme il existe une vitesse maximale pour les objets physiques – la vitesse de la lumière – il existe un top spin auquel les trous noirs peuvent tourner. GW190517 tourne à près de ce maximum. Les chercheurs ont calculé que si des bosons ultralégers existaient, ils auraient tiré son spin vers le bas par un facteur de deux.

« S'ils existent, ces choses auraient aspiré beaucoup de moment angulaire, " dit Vitale. " Ce sont vraiment des vampires. "

Les chercheurs ont également pris en compte d'autres scénarios possibles pour générer les grands spins des trous noirs, tout en tenant compte de l'existence de bosons ultralégers. Par exemple, un trou noir aurait pu être détruit par des bosons, puis accéléré à nouveau par des interactions avec le disque d'accrétion environnant, un disque de matière à partir duquel le trou noir pourrait aspirer de l'énergie et de la quantité de mouvement.

"Si vous faites le calcul, vous trouvez qu'il faut trop de temps pour faire tourner un trou noir au niveau que nous voyons ici, " dit Ng. " Alors, nous pouvons ignorer en toute sécurité cet effet de spin-up."

En d'autres termes, il est peu probable que les spins élevés des trous noirs soient dus à un scénario alternatif dans lequel des bosons ultralégers existent également. Compte tenu des masses et des spins élevés des deux trous noirs, les chercheurs ont pu exclure l'existence de bosons ultralégers avec des masses comprises entre 1,3x10 ^-13 électronvolts et 2,7x10 ^-13 électronvolts.

"Nous avons essentiellement exclu certains types de bosons dans cette gamme de masse, ", dit Vitale. "Ce travail montre également comment les détections d'ondes gravitationnelles peuvent contribuer à la recherche de particules élémentaires."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.