Nieuwe deeltjes ontdekken met behulp van zwarte gaten

De natuur bestaat uit twee soorten deeltjes: fermionen, waaruit vaste materie bestaat, bosonen, die interacties kunnen overbrengen. Rond snel draaiende zwarte gaten kunnen ultralichte bosonen grote condensaten vormen dankzij superradiance. Een zwart gat dat zo’n bosonwolk om zich heen heeft, heet ook wel een gravitationeel atoom, omdat zijn configuratie erg lijkt op de proton-elektronstructuur van een waterstofatoom – maar dan op veel grotere schaal. Zo kan de bosonwolk rond een zwart gat, net als het elektron in een waterstofatoom, in een aantal verschillende toestanden zijn, elk met een bijbehorende energie.

Vingerafdruk

In het geval van een waterstofatoom kunnen overgangen tussen zulke energieniveaus veroorzaakt worden door bijvoorbeeld met een laser op het atoom te schijnen. Wanneer de energie van de laser precies klopt, kan het elektron van de ene naar de andere toestand ‘springen’. Een soortgelijk effect bestaat voor het gravtationele atoom wanneer het deel uitmaakt van een tweetal zwarte gaten die om elkaar heen draaien. In dat geval speelt de zwaartekrachtinvloed van het tweede zwarte gat de rol van de ‘laser’ waarmee de overgangen tussen de energietoestanden van de bosonwolk gestimuleerd worden.
Sinds enkele jaren zijn natuurkundigen in staat om zwaartekrachtgolven te meten – de kleine trillingen in het zwaartekrachtveld die ontstaan wanneer paren van zwarte gaten met groot geweld ineenstorten tot één zwart gat.

Daniel Baumann en Horng Sheng Chia van de UvA en Rafael Porto van Desy (Hamburg) laten nu zien dat de aanwezigheid van energieovergangen in de hypothetische bosonwolk zorgt voor een karakteristieke ‘vingerafdruk’ in het signaal van zwaartekrachtgolven dat door zulke samensmeltende zwarte gaten wordt geproduceerd. Het waarnemen van die vingerafdruk zou een belangrijke test zijn voor theorieën die ultralichte bosonische deeltjes voorspellen. Hoewel de huidige metingen van zwaartekrachtgolven nog niet gevoelig genoeg zijn om dit effect waar te nemen, zal dit zeker een belangrijk doel zijn voor toekomstige experimenten.