一些超越粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)測(cè)了新的超輕粒子存在，其質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然界中已知最輕粒子。當(dāng)這些粒子與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱時(shí)，粒子對(duì)撞機(jī)和暗物質(zhì)探測(cè)器很難探測(cè)到它們。

然而，正如阿姆斯特丹大學(xué)(UvA)的物理學(xué)家丹尼爾·鮑曼(Daniel Baumann)和洪勝家(Horng Sheng Chia)與德國(guó)德西大學(xué)(DESY)的拉斐爾·波爾圖(Rafael Porto)共同發(fā)表的一篇新論文所顯示那樣：這些粒子可以在來(lái)自黑洞合并的引力波信號(hào)中被探測(cè)到，這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評(píng)論》上。自然界由兩種粒子組成，一種是物理學(xué)家稱(chēng)為費(fèi)米子的構(gòu)成固體物質(zhì)粒子，另一種稱(chēng)為玻色子的可以傳播相互作用的粒子。

博科園-科學(xué)科普：超輕玻色子可以通過(guò)一種叫做超輻射的過(guò)程，在快速旋轉(zhuǎn)的黑洞周?chē)纬纱罄淠铩y帶這種玻色子云的黑洞有時(shí)被稱(chēng)為“引力原子”，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)在更大尺度上與氫原子的質(zhì)子電子結(jié)構(gòu)非常相似。例如，就像氫原子中的電子一樣，黑洞周?chē)牟Ｉ釉瓶梢杂卸喾N不同的狀態(tài)，每種狀態(tài)都有特定的能量。在氫原子的例子中，這些不同能級(jí)之間的躍遷可以通過(guò)將激光照射到原子上而引起。當(dāng)激光的能量完全正確時(shí)，電子可以從一種狀態(tài)“躍遷”到另一種狀態(tài)。如果引力原子是一對(duì)相互環(huán)繞的黑洞的一部分，也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的效應(yīng)。在這種情況下，第二個(gè)黑洞的引力作用將扮演“激光”的角色，并誘導(dǎo)玻色子云能量狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。

特征指紋

近年來(lái)，物理學(xué)家已經(jīng)能夠測(cè)量引力波（引力場(chǎng)中的漣漪）當(dāng)一對(duì)黑洞猛烈地合并成一個(gè)黑洞時(shí)產(chǎn)生的引力波。正如鮑曼、謝亞和波爾圖現(xiàn)在所展示的那樣，在假想的玻色子云中存在能級(jí)躍遷，將會(huì)在這種黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)特征“指紋”。觀(guān)察這樣的指紋將是對(duì)預(yù)測(cè)超輕玻色子理論的一個(gè)重要檢驗(yàn)。雖然目前的引力波觀(guān)測(cè)還不夠靈敏，不足以觀(guān)察到這種效應(yīng)，但這肯定會(huì)成為未來(lái)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要目標(biāo)。研究黑洞周?chē)p玻色子云的引力波特征，這些云是通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)黑洞的超輻射不穩(wěn)定性形成，在黑洞質(zhì)量和自旋的總體中產(chǎn)生明顯的影響，并產(chǎn)生連續(xù)的單色GW信號(hào)。

雙星存在極大地豐富了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化，最顯著的是通過(guò)云增長(zhǎng)和衰減模式之間的共振躍遷的存在(類(lèi)似于原子物理學(xué)中的Rabi振蕩)。這些共振對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的GW探測(cè)器具有豐富的現(xiàn)象學(xué)意義。值得注意的是，來(lái)自云的GW信號(hào)振幅可能會(huì)降低，在許多情況下，在雙星合并之前就終止了。玻色子云存在還可以通過(guò)有限尺寸效應(yīng)的印記，如自旋誘導(dǎo)的多極矩和潮汐愛(ài)數(shù)值，在雙星的GW信號(hào)中顯示出來(lái)。在共振過(guò)程中，云的能量密度隨時(shí)間的變化，使得有限尺寸項(xiàng)對(duì)波形的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)出明顯的特征，或者至少是衰減。對(duì)這些效應(yīng)的觀(guān)察將通過(guò)精確的GW數(shù)據(jù)來(lái)約束假定的超輕玻色子的性質(zhì)，從而提供超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)新探頭。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自:?阿姆斯特丹大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《arXiv》,《物理評(píng)論D》

Cite: arXiv:1804.03208

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