Materia întunecată este la oră actuală un mare mister: ar fi cea care ar face astfel încât stelele din periferia galaxiilor să aibă o rotație mai rapidă decât ar fi de așteptat considerând doar forța gravitațională exercitată de materia vizibilă. Dar și acea materie care funcționează că o lentilă gravitațională mai puternică decât cea data de materia normală deformând geometria spațiului și a timpului. Se crede că această materie întunecată ar fi compusă din particule încă nedescoperite. Particule cu masă foarte mare sau, dimpotrivă, foarte mică.

Mai multe experimente la acceleratoarele de particule dar și în laboratoarele subterane încearcă să descopere aceste particule. La acceleratoare se încearcă să se producă prin ciocniri de mare energie a fasciculelor; în laboratoarele subterane să se măsoare materie întunecată care ajunge din spațiu.

Materia întunecată ar putea însă să fie compusă din particule de tip boson (adică spin întreg sau zero), precum axionii. Aceștia ar avea o masă atât de mică încât ar fi imposibil de măsurat cu tehnologiile actuale. Din acest motiv se caută noi metode pentru a măsura indirect efecte ale existenței acestor bosoni cu masă extrem de mică și unul dintre efecte ar fi încetinirea rotației găurilor negre.

Găurile negre și efectele bosonilor de masă mică

Găurile negre reprezintă un mare mister: nu știm ce se găsește în interiorul acestora întrucât nimic nu poate ieși dintr-o gaură neagră – nici măcar lumina. Le putem totuși studia ori prin radiația materiei înghițite de găurile negre ori prin măsurarea undelor gravitaționale emise de sistemele binare de găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte și într-un final se unesc într-o unică gaură neagră cu masă mai mare.

Parte din masă inițială a găurilor negre este transformată în energia undelor gravitaționale. Undele gravitaționale ne dau informații despre găurile negre: masă acestora și rotația lor. Ei bine, rotația unei găuri negre ar putea avea de suferit dacă există bosoni cu mase extrem de mici.  Prin efecte cuantice (superradianta) aceștia ar duce la încetinirea vitezei de rotație. Deci măsurarea rotației găurilor negre poate să ne ajute ori să detectăm indirect materia întunecată, ori să punem limite asupra masei bosonilor de materia întunecată.

Undele gravitaționale LIGO-VIRGO

Până în prezent antenele gravitaționale LIGO și VIRGO au măsurat zeci de ciocniri de găuri negre – cu mase între 10 și 70 de ori masa Soarelui. Cele 45 de evenimente măsurate au fost studiate în detaliu pentru a se găsi eventuale urme ale efectelor materiei întunecate. Rezultatele studiului au fost publicate recent într-un articol în Phys. Rev. Lett. Două dintre evenimentele studiate au stârnit interesul cercetătorilor: GW190412 și GW190517 – care au o viteză de rotație foarte mare. Dacă bosoni cu mase ultra-mici ar exista, atunci rotația acestor găuri negre ar fi trebuit să fie de circa două ori mai mică. Precum vampirii bosonii ar trebui să consume rotația găurilor negre.

Limite asupra masei bosonilor de materie întunecată

În final, în urmă acestui studiu au fost eliminați bosonii cu mase în intervalul (1.3-2.7) x 10 la puterea -13 eV! O masă extrem de mică – multe miliarde de ori mai mică decât masa electronului. Totuși, acesta nu este decât începutul – întrucât masă acestor bosoni ar putea fi cuprinsă într-un interval mult mai extins: între 10 la puterea -33 eV și 10 la puterea -6 eV. Mai este încă mult de studiat! Totuși, acest studiu arată cum inclusiv procese cosmice pot contribui în fizica particulelor elementare – în mod specific în căutarea materiei întunecate.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro