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Bosoni ultra leggeri e buchi neri veloci

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I bosoni ultra leggeri sono una classe di particelle ipotetiche con una massa pari a un miliardesimo di quella di un elettrone. Grazie a questo, i bosoni ultra leggeri interagiscono debolmente con la materia ordinaria e proprio per questo fino ad oggi nessun esperimento li ha mai rilevati.

Se esistono realmente i bosoni ultra leggeri, come gli assioni, sarebbero probabilmente un tipo di materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce l’85% di tutta materia presente nell’universo.

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I fisici del Laboratorio LIGO del MIT hanno avviato la ricerca dei bosoni ultra leggeri osservando i buchi neri, oggetti con una massa di molti ordini di grandezza superiore alle ipotetiche particelle.

Secondo quanto previsto dalla teoria quantistica, un buco nero di una data massa dovrebbe attirare nuvole di bosoni ultra leggeri, che a loro volta dovrebbero rallentare la rotazione del buco nero stesso. Se le particelle sono reali, tutti i buchi neri di una particolare massa dovrebbero ruotare a una velocità inferiore.

Ora, i fisici hanno scoperto che due buchi neri studiati in passato ruotano troppo velocemente per aver subito influenze dai bosoni ultra leggeri. A causa della loro elevata velocità di rotazione si esclude l’esistenza delle misteriose particelle con masse comprese tra 1,3×10 -13 elettronvolt e 2,7×10 -13 elettronvolt, circa un quintilionesimo della massa di un elettrone.

I risultati dello studio pubblicati su Physical Review Letters, restringono ulteriormente i campi di ricerca di assioni e di altri bosoni ultra leggeri. Lo studio è il primo a utilizzare la rotazione dei buchi neri rilevati da LIGO e Virgo, e i dati delle onde gravitazionali utilizzati nella caccia alla sfuggente materia oscura.

Il range di massa dei bosoni ultra leggeri

Salvatore Vitale, assistente professore di fisica al MIT spiega che esistono diversi tipi di bosoni, anche se fino ad ora solo uno di essi è stato studiato. Se esistono altri bosoni ultra leggeri questo tipo di indagine potrà essere applicata grazie al crescente set di dati che LIGO e Virgo raccoglieranno in futuro.

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I coautori di Vitale sono l’autore principale Kwan Yeung (Ken) Ng, studente laureato ail Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT, insieme a ricercatori dell’Università di Utrecht nei Paesi Bassi e dell’Università cinese di Hong Kong.

I bosoni ultra leggeri vengono setacciati in una vasta gamma di masse, da 1×10 -33 elettronvolt a 1×10 -6 elettronvolt. Finora gli scienziati hanno utilizzato esperimenti e osservazioni astrofisiche per escludere zone di questo ampio spazio di possibili masse.

Fin dai primi anni 2000, i fisici hanno pensato che i buchi neri potessero essere utilizzati per rilevare i bosoni ultra leggeri,grazie a un effetto noto come superradianza.

Se esistono bosoni ultra leggeri, potrebbero interagire con un buco nero in determinate occasioni. La teoria quantistica postula che su scala infinitamente piccola, le particelle elementari non possono essere descritte dalla fisica classica come oggetti individuali. Questa scala, nota come lunghezza d’onda Compton, è inversamente proporzionale alla massa delle particelle stesse.

Poiché i bosoni ultra leggeri hanno una massa piccolissima, si prevede che la loro lunghezza d’onda sia straordinariamente grande. Per un certo intervallo di massa, la loro lunghezza d’onda può essere paragonabile alla dimensione di un buco nero. 

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Quando questo avviene, ci si aspetta che la superradianza si sviluppi rapidamente. I bosoni ultra leggeri vengono quindi creati dal vuoto attorno a un buco nero in quantità sufficientemente alte da rallentarne la rotazione. Gli scienziati ritengono che il rallentamento possa manifestarsi nell’arco di diverse migliaia di anni, molto presto su scale temporali astrofisiche.

Ng e Vitale hanno utilizzato questo ragionamento alle misurazioni effettuate da LIGO, il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory e da Virgo. I rilevatori capteranno le onde gravitazionali emesse da cataclismi lontani, come la fusione di buchi neri.

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i ricercatori hanno studiato tutti i 45 buchi neri binari scoperti da LIGO e Virgo fino ad ora. Le masse di questi buchi neri, comprese tra 10 e 70 masse solari, indicano che se avessero interagito con bosoni ultra leggeri, le particelle avrebbero avuto masse comprese tra 1×10 -13 elettronvolt e 2×10 -11 elettronvolt .

Per ognuno di questi buchi neri il team ha calcolato la rotazione che avrebbe dovuto avere se fosse stato rallentato da una nuvola di bosoni ultra leggeri all’interno del corrispondente intervallo di massa. L’analisi ha evidenziato due buchi neri: GW190412 e GW190517

Così come esiste una velocità massima per gli oggetti fisici, la velocità della luce, c’è una velocità massima al quale i buchi neri possono ruotare. GW190517 sfiora quel massimo. I ricercatori hanno calcolato che se i bosoni ultraleggeri esistessero, ne avrebbero ridotto la rotazione di un fattore due.

I ricercatori hanno considerato altri possibili scenari per spiegare la rotazioni veloce dei buchi neri, pur consentendo l’esistenza di bosoni ultra leggeri. per semplificare, un buco nero potrebbe essere stato rallentato dai bosoni ma successivamente accelerato nuovamente attraverso le interazioni con il disco di accrescimento.

In altre parole, è poco probabile che le alte velocità di rotazione dei buchi neri siano dovuti a uno scenario differente in cui esistono anche bosoni ultra leggeri. Date le masse e l’elevata velocità di rotazione di entrambi i buchi neri evidenziati dallo studio, i ricercatori sono stati in grado di escludere l’esistenza di bosoni ultra leggeri con masse comprese tra 1,3×10 -13 elettronvolt e 2,7×10 -13 elettronvolt.

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