Гравитационные волны помогут выйти за пределы известной физики

Гравитационные волны можно использовать для поиска частиц, существование которых не следует из Стандартной модели и требует создания новой физики.

Такой вывод сделала международная группа физиков в научной статье, принятой к публикации в журнале Physical Review D. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.

Напомним, что Стандартная модель на сегодня объясняет все экспериментальные факты, известные об элементарных частицах. Однако учёным не терпится открыть что-нибудь, что заставило бы их выйти за пределы этой блестящей теории на неизведанные просторы новой физики.

Некоторые из предложенных теоретиками расширений Стандартной модели предсказывают существование сверхлёгких бозонов. Напомним, что бозоны и фермионы – это два фундаментальных класса, на которые делятся все элементарные частицы. К первому относятся, например, фотоны, а ко второму – электроны, протоны и нейтроны.

Эти гипотетические бозоны намного легче, чем любые известные частицы с ненулевой массой. При этом обнаружить их крайне сложно, поскольку они слабо взаимодействуют с обычным веществом. Именно поэтому эти бозоны, если они есть, до сих пор не обнаружены с помощью ускорителей и детекторов тёмной материи.

Авторы новой работы предлагают призвать на помощь астрономию.

Дело в том, что, по расчётам теоретиков, целые облака подобных бозонов могут собираться вокруг двойных чёрных дыр. При этом возникает система, несколько напоминающая атом. Его ядром является пара чёрных дыр, а скопление сверхлёгких бозонов – своего рода электронной оболочкой.

В настоящем атоме электроны распределены по разным энергетическим уровням. Поглотив фотон, электрон может переместиться на уровень выше, а испустив фотон – на уровень ниже. Обычно подобное "дирижирование электронами" физики выполняют с помощью лазера.

В "атоме" из сверхлёгких бозонов переходы между уровнями происходят под влиянием гравитации чёрных дыр.

Напомним, что достаточно тесная пара чёрных дыр рано или поздно сталкивается и сливается. Этот катаклизм порождает гравитационные волны. Как рассчитали авторы, если "сладкая парочка" была окружена облаком из сверхлёгких бозонов, этот факт должен повлиять на характеристики гравитационного излучения. В сигнале останется след, чёткий, как отпечатки пальцев.

Правда, на сегодняшний день детекторы гравитационных волн недостаточно чувствительны для такой задачи. Однако физики непрерывно совершенствуют как сами устройства, так и алгоритмы обработки данных. Так что в будущем подобные наблюдения должны стать возможными.