Исследователи из Института теоретической физики при Венском техническом университете предложили использовать чёрные дыры (ЧД) для поиска аксионов, все попытки обнаружить которые при помощи экспериментальных ускорителей частиц пока не имели успеха.

Аксионы — псевдоскалярные частицы с длиной волны до многих километров, возникающие при взаимодействии фотонов высоких энергий и ядер атомов, — не зря назвали по марке стирального порошка: они призваны «отстирать» квантовую хромодинамику от проблемы сильного CP-нарушения. Вот только найти этот «стиральный порошок» никак не удаётся.

Рис. 1. Чёрная дыра в окружении бозонного облака в представлении художника (иллюстрация Technische Universität Wien).

Аксионы из разных источников искали специалисты CERN, ADMX и PVLAS; в последнем случае даже было объявлено об их обнаружении… Но увы. То считалось, что аксионы излучает Солнце вследствие эффекта Примакова, то их объявляли важнейшим компонентом галактического гало тёмной материи — однако ни в Солнечной системе, ни на галактической окраине ничего обнаружить не удалось.

И тем не менее физики Даниэль Грумиллер (Daniel Grumiller) и Габриэла Мокану (Gabriela Mocanu) полагают, что найти их можно, просто для поиска этих неуловимых псевдоскалярных частиц нужно использовать более мощные ускорители. Как известно, ЧД, согласно процессу Пенроуза, разгоняет часть попадающей в её гравитационное поле материи до таких скоростей, что та отправляется с огромной скоростью в окружающее пространство. При этом вращение ЧД замедляется, вплоть до (в теории) нуля. Но что особенно важно, в силу концентрации бозонного облака в районе ЧД значительное количество бозонов и иных частиц будет подвергаться весьма серьёзному ускорению, превосходящему по своим параметрам те условия, которые удаётся создать в лучших ускорителях.

Но как зарегистрировать разогнанные чёрной дырой аксионы? Процесс разгона больших масс таких частиц должен генерировать гравитационные волны, которые затем можно будет измерить.

Аксионы являются бозонами. Иными словами, в отличие от фермионов, они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии; вокруг ЧД могут образоваться целые «облака» таких бозонов. Однако со временем эти облака способны коллапсировать, образуя то, что учёные назвали «бозонной новой», — «вспышку» бозонов, активно разлетающихся в разные стороны.

Если в облаке перед коллапсом благодаря процессу Пенроуза накопится достаточно энергии, коллапс вызовет сильнейшие искажения пространства-времени, гравитационные волны, которые можно будет зарегистрировать даже на Земле.

Согласно вычислениям исследователей, нужная чувствительность строящихся детекторов гравитационных волн будет достигнута к 2016 году, так что ждать начала использования ЧД в качестве ускорителей осталось не так уж и долго.

Соответствующая работа опубликована в журнале Physical Review D.