2019-02-08 19:29:59 博科園

博科园：本文为物理学类

一些超越粒子物理学标准模型的理论预测了新的超轻粒子存在，其质量远远低于自然界中已知最轻粒子。当这些粒子与普通物质的相互作用非常微弱时，粒子对撞机和暗物质探测器很难探测到它们。然而，正如阿姆斯特丹大学(UvA)的物理学家丹尼尔·鲍曼(Daniel Baumann)和洪胜家(Horng Sheng Chia)与德国德西大学(DESY)的拉斐尔·波尔图(Rafael Porto)共同发表的一篇新论文所显示那样：这些粒子可以在来自黑洞合并的引力波信号中被探测到，这项研究发表在《物理评论》上。自然界由两种粒子组成，一种是物理学家称为费米子的构成固体物质粒子，另一种称为玻色子的可以传播相互作用的粒子。

博科园-科学科普：超轻玻色子可以通过一种叫做超辐射的过程，在快速旋转的黑洞周围形成大冷凝物。携带这种玻色子云的黑洞有时被称为“引力原子”，因为它的结构在更大尺度上与氢原子的质子电子结构非常相似。例如，就像氢原子中的电子一样，黑洞周围的玻色子云可以有多种不同的状态，每种状态都有特定的能量。在氢原子的例子中，这些不同能级之间的跃迁可以通过将激光照射到原子上而引起。当激光的能量完全正确时，电子可以从一种状态“跃迁”到另一种状态。如果引力原子是一对相互环绕的黑洞的一部分，也会发生类似的效应。在这种情况下，第二个黑洞的引力作用将扮演“激光”的角色，并诱导玻色子云能量状态之间的转变。

特征指纹

近年来，物理学家已经能够测量引力波（引力场中的涟漪）当一对黑洞猛烈地合并成一个黑洞时产生的引力波。正如鲍曼、谢亚和波尔图现在所展示的那样，在假想的玻色子云中存在能级跃迁，将会在这种黑洞合并产生的引力波信号中产生一个特征“指纹”。观察这样的指纹将是对预测超轻玻色子理论的一个重要检验。虽然目前的引力波观测还不够灵敏，不足以观察到这种效应，但这肯定会成为未来实验的一个重要目标。研究黑洞周围超轻玻色子云的引力波特征，这些云是通过快速旋转黑洞的超辐射不稳定性形成，在黑洞质量和自旋的总体中产生明显的影响，并产生连续的单色GW信号。

两个黑洞在近距离环绕对方运行，其中一个黑洞携带着一团超轻玻色子。新的计算结果表明，玻色子云存在将导致黑洞对发出的引力波信号中出现明显指纹。图片：D. Baumann

双星存在极大地丰富了系统的动力学演化，最显著的是通过云增长和衰减模式之间的共振跃迁的存在(类似于原子物理学中的Rabi振荡)。这些共振对当前和未来的GW探测器具有丰富的现象学意义。值得注意的是，来自云的GW信号振幅可能会降低，在许多情况下，在双星合并之前就终止了。玻色子云存在还可以通过有限尺寸效应的印记，如自旋诱导的多极矩和潮汐爱数值，在双星的GW信号中显示出来。在共振过程中，云的能量密度随时间的变化，使得有限尺寸项对波形的贡献呈现出明显的特征，或者至少是衰减。对这些效应的观察将通过精确的GW数据来约束假定的超轻玻色子的性质，从而提供超越标准模型的物理学新探头。