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Ciencia

Agujeros negros reducen la búsqueda de partículas de materia oscura


Los bosones ultraligeros son partículas hipotéticas cuya masa se predice que será menos de una mil millonésima parte de la masa de un electrón.

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Los físicos del Laboratorio LIGO del MIT han buscado bosones ultraligeros utilizando agujeros negros, objetos que son alucinantes órdenes de magnitud más masivos que las propias partículas.

Los bosones ultraligeros son partículas hipotéticas cuya masa se predice que será menos de una mil millonésima parte de la masa de un electrón. Interactúan relativamente poco con su entorno y hasta ahora han eludido las búsquedas para confirmar su existencia. Si existen, los bosones ultraligeros como los axiones probablemente serían una forma de materia oscura, la materia misteriosa e invisible que constituye el 85 por ciento de la materia del universo.

Según las predicciones de la teoría cuántica, un agujero negro de cierta masa debería atraer nubes de bosones ultraligeros, que a su vez deberían ralentizar colectivamente el giro de un agujero negro. Si las partículas existen, entonces todos los agujeros negros de una masa particular deberían tener espines relativamente bajos.

Pero los físicos han descubierto que dos agujeros negros detectados previamente giran demasiado rápido para haber sido afectados por bosones ultraligeros. Debido a sus grandes giros, la existencia de los agujeros negros descarta la existencia de bosones ultraligeros con masas entre 1.3×10-13 electronvoltios y 2.7×10-13 electronvoltios, alrededor de una quintillonésima parte de la masa de un electrón.

Los resultados del equipo, publicados en Physical Review Letters, reducen aún más la búsqueda de axiones y otros bosones ultraligeros. El estudio también es el primero en utilizar los giros de los agujeros negros detectados por LIGO y Virgo, y los datos de ondas gravitacionales, para buscar materia oscura.

“Hay diferentes tipos de bosones, y hemos probado uno”, dice el coautor Salvatore Vitale, profesor asistente de física en el MIT. “Puede haber otros, y podemos aplicar este análisis al creciente conjunto de datos que LIGO y Virgo proporcionarán en los próximos años”.

En su estudio, el equipo examinó los 45 binarios de agujeros negros informados por LIGO y Virgo hasta la fecha. Las masas de estos agujeros negros, entre 10 y 70 veces la masa del sol, indican que si hubieran interactuado con bosones ultraligeros, las partículas habrían tenido una masa de entre 1×10-13 electronvoltios y 2×10-11 electronvoltios.

Para cada agujero negro, el equipo calculó el giro que debería tener si el agujero negro fuera hecho girar hacia abajo por bosones ultraligeros dentro del rango de masa correspondiente. De su análisis se destacaron dos agujeros negros: GW190412 y GW190517. Así como existe una velocidad máxima para los objetos físicos, la velocidad de la luz, hay un giro superior en el que los agujeros negros pueden girar. GW190517 gira cerca de ese máximo.

Los investigadores calcularon que si existieran bosones ultraligeros, habrían reducido su giro en un factor de dos. “Si existieran, estas cosas habrían absorbido mucho momento angular”, dice Vitale. “Son realmente vampiros”.

En otras palabras, es poco probable que los altos giros de los agujeros negros se deban a un escenario alternativo en el que también existen bosones ultraligeros. Dadas las masas y los altos giros de ambos agujeros negros, los investigadores pudieron descartar la existencia de bosones ultraligeros con masas entre 1.3×10-13 electronvoltios y 2.7×10-13 electronvoltios.

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