Các cặp lỗ đen có thể tiết lộ những hạt mới
Trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters tuần này, các nhà vật lý Amsterdam và Copenhagen đã lập luận rằng các quan sát gần các cặp lỗ đen sáp nhập có thể tiết lộ thông tin mới về các hạt tiềm năng. Nghiên cứu này kết hợp nhiều phát hiện của các nhà khoa học ở UvA khắp sáu năm qua.
Các sóng hấp dẫn được phát ra từ sự sáp nhập của hai lỗ đen có mang theo những thông tin chi tiết về hình dạng và sự tiến hóa của các quỹ đạo của chúng. Nhóm nghiên cứu bao gồm nhà vật lý Giovanni Maria Tomaselli và Gianfranco Bertone từ trường đại học Amsterdam (UvA) và cựu học viên cao họ UvA Thomas Spieksma, giờ làm nghiên cứu tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen. Nghiên cứu đề xuất một phân tích kỹ lưỡng về thông tin trích xuất này có thể tiết lộ sự tồn tại của các hạt mới trong tự nhiên.
Siêu bức xạ
Cơ chế giúp việc dò tìm các hạt mới trở nên có thể được gọi là siêu bức xạ lỗ đen. Khi một lỗ đen quay đủ nhanh, nó có thể chuyển một ít khối lượng của nó thành một ‘đám mây” hạt xung quanh nó. Hệ đám mây của lỗ đen được gọi là ột “nguyên tử hấp dẫn” do sự tương đồng của nó với đám mây electron xung quanh một proton.
Do siêu bức xạ chỉ hiệu quả nếu các hạt nhẹ hơn những hạt được đo đạc trong thực nghiệm, quá trình này đem lại một cơ hội độc đáo để chứng tỏ sự tồn tại của những hạt mới mà người ta gọi là các boson siêu nhẹ, loại hạt mà sự tồn tại của nó có thể giúp giải được nhiều vấn đề hóc búa trong vật lý thiên văn, vũ trụ học và vật lý hạt.
Cuộc tiến hóa quỹ đạo của các lỗ đen đôi trong sự hiện diện của các đám mây boson siêu nhẹ đã được các nhà khoa học UvA nghiên ứu trong một loại các bài báo có ảnh hưởng sáu năm qua. Một hiện tượng quan trọng mới là khám phá ra chuyển tiếp cộng hưởng, nơi đám mây này ‘nhảy” từ trạng thái này sang trạng thái khác, tương tự cách một electron trong một nguyên tử thông tương có thể nhảy giữa các quỹ đạo.
Một hiện tượng mới khác, tương tự với hành xử của các nguyên tử thông thường là ion hóa, nơi một phân của đám mây bị loại bỏ. Cả hai hiện tượng này đã để lại những dấu vết đặc trưng trên sóng hấp dẫn được phát ra nhưng các chi tiết mà nhiều dấu vết phụ thuộc vào trạng thái của đám mây hạt. Trong nỗ lực làm đầy các chi tiết còn lại đó, nghiên cứu mới kết hợp các kết quả cũ, và theo sát lịch sử của hệ từ sự hình thành lỗ đen đôi đến sáp nhập lỗ đen.
Hai khả năng có thể xảy ra
Các kết luận chính đã mở mang thêm hiểu biết của chúng ta về các nguyên tử hấp dẫn đôi. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra có hai kết quả có thể xảy ra về sự tiến hóa của hệ, cả hai đều rất thú vị.
Nếu các lỗ đen và đám mây ban đầu quay theo hướng trái ngược, sau đó đám mây sống sót trong trạng thái ban đầu được tạo ra bởi siêu bức xạ, và nó trở nên có thể dò được qua hiện tượng ion hóa, vốn để lại một tín hiệu dễ thấy trong các con sóng hấp dẫn. Trong trường hợp khác, những chuyển tiếp cộng hưởng phá hủy đám mây, và quỹ đạo của lỗ đen đôi đòi hỏi những giá trị rất cụ thể của độ lệch tâm và độ nghiêng. Cả hai giá trị này đều có thể đo đạc được thông qua tín hiệu sóng hấp dẫn.
Do đó, kết quả mới đem lại một chiến lược tìm kiếm mới đáng tin cậy những hạt mới, dù là qua việc dò hiệu ứng ion hóa hay hình thức sóng hấp dẫn, hoặc trong trường hợp thông qua quan sát sự vượt quá bất thường của các hệ với các giá trị dự đoán về độ lệch tâm và độ nghiêng. Với các trường hợp, các quan sát sóng hấp dẫn chi tiết sẽ tiết lộ những htoong tin thú vị về câu hỏi liệu các hạt siêu nhẹ có tồn tại hay không.
Anh Hiền dịch từ University of Amsterdam
Nguồn: https://iop.uva.nl/content/news/2024/09/black-hole-pairs-may-unveil-new-particles.htm
