Bosoni ultraleggeri e materia oscura

Le teorie della fisica oltre il Modello Standard permettono la produzione di bosoni ultraleggeri – particelle ipotetiche con masse inferiori a un miliardesimo della massa di un elettrone – che potrebbero costituire una parte o tutta la materia oscura.

Se tali particelle subatomiche esistono, potrebbero apparire intorno ai buchi neri che girano a causa di fluttuazioni quantistiche. In un documento pubblicato questa settimana sul server arXiv.org preprint, gli astrofisici della LIGO Scientic Collaboration, la Virgo Collaboration e la KAGRA Collaboration hanno descritto la prima ricerca all-sky di segnali di onde gravitazionali quasi monocromatici di lunga durata emessi da nuvole di bosoni scalari ultraleggeri intorno a buchi neri rotanti, utilizzando i dati della terza sessione di osservazione dei rivelatori Advanced LIGO.

Bosoni ultraleggeri e materia oscura

“Il nostro è il primo studio al mondo interamente dedicato alla ricerca di onde gravitazionali previste provenienti da possibili nuvole di bosoni vicino a buchi neri che ruotano rapidamente”. Ha commentato la dottoressa Lilli Sun, un’astrofisica dell’ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) all’Australian National University.

È quasi impossibile rilevare queste particelle bosoniche ultraleggere sulla Terra. Queste particelle, se esistono, hanno una massa estremamente piccola e raramente interagiscono con altra materia – che è una delle proprietà chiave che la materia oscura sembra avere”.

“Cercando le onde gravitazionali emesse da queste nubi potremmo essere in grado di rintracciare queste particelle bosoniche sfuggenti e possibilmente decifrare il codice della materia oscura”.

“Le nostre ricerche potrebbero anche permettere di escludere certe particelle bosoniche ultraleggere che secondo le nostre teorie potrebbero esistere ma che in realtà non esistono”.

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I rivelatori di onde gravitazionali LIGO hanno permesso ai ricercatori di esaminare l’energia dei buchi neri in rapida rotazione estratti da tali nubi, se esistono.

“Crediamo che questi buchi neri intrappolino un numero enorme di particelle bosoniche nel loro potente campo gravitazionale, generando una nube corotante con loro”; aggiunge Sun.

“Questa delicata danza prosegue per milioni di anni e continua a generare onde gravitazionali che sfrecciano nello spazio”.

Mentre il team non ha ancora rilevato onde gravitazionali dalle nuvole di bosoni, la scienza delle onde gravitazionali ha “aperto porte che prima erano chiuse agli scienziati”.

“Le scoperte delle onde gravitazionali non solo forniscono informazioni su misteriosi oggetti compatti nell’Universo; come ad esempio i buchi neri e le stelle di neutroni. Ma ci permettono anche di cercare nuove particelle e materia oscura”. Prosegue la dottoressa Sun.

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“I futuri rivelatori di onde gravitazionali apriranno certamente più possibilità. Saremo in grado di arrivare più in profondità nell’Universo e scoprire più intuizioni su queste particelle”.

“Per esempio, la scoperta di nuvole di bosoni usando i rivelatori di onde gravitazionali porterebbe importanti intuizioni sulla materia oscura; inoltre aiuterebbe a far avanzare altre ricerche sulla materia oscura. Farebbe anche avanzare la nostra comprensione della fisica delle particelle più in generale”.

In un altro significativo passo avanti, lo studio ha anche fatto più luce sulla possibilità di nubi di bosoni esistenti nella nostra Galassia Via Lattea; ovvero prendendo in considerazione la loro età.

“La forza di qualsiasi onda gravitazionale dipende dall’età della nube, con quelle più vecchie che inviano segnali più deboli”. Ha detto il dottor Sun, che conclude.

“La nube di bosoni si restringe man mano che perde energia inviando onde gravitazionali”.

“Abbiamo imparato che un particolare tipo di nube di bosoni più giovane di 1.000 anni non è probabile che esista da nessuna parte nella nostra Galassia; mentre le nubi che hanno fino a 10 milioni di anni non possono esistere entro circa 3.260 anni luce dalla Terra”.

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