اكتشاف جسيمات جديدة باستخدام الثقوب السوداء

أظهرت دراسة جديدة لعملية اندماج ثُقبين أسودين، أحدهم يحمل سحابة من البوزون فائق الخفة “ultralight”، وجودَ أثرٍ مميزٍ في إشارة موجات الجاذبية المرصودة الناتجة عن تزاوج الثُقبين.

وتختلف هذه الإشارة عن ما رُصِد من قَبل؛ فبعض النظريات التي لا تعتمد النموذج القياسي للجسيمات الأولية تتوقع وجود جسيمات جديدة فائقة الخفة، ذات كتلة أقل بكثير من أخف الجسيمات الموجودة  في الطبيعة

ولكن تفاعل هذه الجسيمات مع المادة يكاد ينعدم مما يصعب عملية رصدها عن طريق مصادمات الجسيمات أو كواشف المادة المظلمة.

وفقاً لدراسة أجراها عالما الفيزياء دانيل بومان وهورنج شينج شيا من جامعة أمستردام (UVA) بالتعاون مع رافاييل بورتو من مركز الأبحاث الإنكليزي الألماني في الإلكترون DESY في هامبورج، يمكن أن تكون هذه الجسيمات قابلة للكشف عن طريق إشارات الموجات الثقالية الجاذبية المتكونة من اندماج الثقبين الأسودين ونُشر البحث في مقالة .Physical Review D

نعرف الآن بأن الطبيعة تحتوي نوعين من الجسيمات : الفيرمونات وهي الجسيمات التي تُكوِّن المادة الصلبة والبوزونات حوامل الطاقة، والتي تحافظ على ترابط الكواركات في نواة الذرة.

 يُمكن لِجسيمات البوزون الخفيفة تكوين تكثف كبير حول الثقب الأسود إذ يدور بسرعة كبيرة عن طريق عملية تُسمَّى “Superradiance” الاستطارة فائقة الاشعاع.

ويُطلق على الثقب الأسود الذي يمتلك سحابة من البوزون فائق الخفة”Gravitational Atom”  الذرة الثقالية؛ لأنه يشبه إلى حدٍ كبير تكوين البروتون والإلكترون في ذرة الهيدروجين، ولكن بنطاق أصغر بكثير ومشابه للإلكترون في ذرة الهيدروجين.

فسحابة البوزون حول الثقب الأسود يمكن أن توجد بعدة مستويات مختلفة، كلاً منها ذات سوية طاقية معينة.

الأثر المميز:

في حالة ذرة الهيدروجين، التنقل بين مستويات الطاقة يمكن أن يتم عبر تسليط شعاع ليزر بإتجاه الذرة، عندما تكون طاقة الليزر ملائمة تماماً  فإن الإلكترون يقفز من مستوى طاقة إلى آخر.

يحدثُ شئ مشابه  في سحابة البوزون فائق الخفة (ذرة الجاذبية) في حال كانت جزء من  ثقبين يدوران حول بعضهما؛ إذ يكون تأثير الجاذبية في الثقب الأسود الآخر يؤدي دور الليزر الذي يَحثُّ سحابة البوزون على تغيير سويتها الطاقية.

في الأعوام الماضية، كان علماء الفيزياء يستطيعون قياس الموجات الثقالية – التموجات في حقل الجاذبية- الذي يحدث عندما يندمج ثقبين أسودين بعملية عنيفة لتكوين ثقب واحد كما أوضح بومان شيا وبورتو أنَّ الانتقالات الحادثة في مستويات الطاقة في سحابة البوزون الافتراضية سيكون أثره مميز في إشارات الموجات الثقالية الجاذبية المتكونة من اندماج الثقبين.

رَصدُ مثل هذه الميزة سيكون اختباراً مهماً في النظريات التي تتنبأ بوجود جسيمات البوزون الخفيفة جداً. في حين أنَّ أجهزة رصد الموجات الثقالية اليوم ليست حساسة بالشكل الكافي لرصد هذا التأثير،  فمن المؤكد أنَّها ستكون هدفاً مهماً للتجارب في المستقبل.

المصدر