Надважке гравітино - новий кандидат на частинку темної матерії

Згідно з теоріями космологів, 25% всесвіту складається з темної матерії, присутність якої визначається тільки її гравітаційним тяжінням. З чого складається ця речовина, залишається загадкою. Герман Микола, директор Інституту гравітаційної фізики ім. Макса Планка в Потсдамі, і його колега Кшиштоф Мейснер з Варшавського університету тепер запропонували нового кандидата - надважке гравітино.

Існування цієї все ще гіпотетичної частинки випливає з гіпотези, яка намагається пояснити, як спостережуваний спектр кварків і лептонів у стандартній моделі фізики елементарних частинок може виникнути з фундаментальної теорії. Крім того, дослідники описують можливий метод для фактичного відстеження цієї частинки.

Стандартна модель фізики елементарних частинок охоплює будівельні блоки матерії і сили, які утримують їх разом. У ньому говориться, що є шість різних кварків і шість лептонів, які згруповані в три «сім'ї». Однак матерія навколо нас і нас самих в кінцевому підсумку складається тільки з трьох частинок з першого сімейства: верхнього і нижнього кварків та електрону, який є членом сімейства лептонів.

Досі ця стандартна модель, що давно встановилася, залишилася незмінною. Великий адронний колайдер (БАК) в ЦЕРНі був введений в експлуатацію близько десяти років тому з основною метою вивчення того, що може лежати за межами стандартної моделі. Однак після десяти років збору даних вченим не вдалося виявити ніяких нових елементарних частинок, крім бозона Хіггса, незважаючи на широко поширені очікування про протилежне.

Іншими словами, досі вимірювання з БАК не давали жодних натяків на «нову фізику», що виходить за рамки стандартної моделі. Ці результати різко контрастують з численними пропонованими розширеннями цієї моделі, які передбачають велику кількість нових частинок.

У більш ранній статті, опублікованій в Physical Review Letters, Герман Ніколаї і Кшиштоф Мейснер представили нову гіпотезу, яка намагається пояснити, чому тільки вже відомі елементарні частинки є основними будівельними блоками матерії в природі і чому, всупереч тому, що раніше вважалося, не слід очікувати появи нових частинок в діапазоні енергій, доступних для поточних або можливих або можливих.

Крім того, два дослідники постулюють існування надмасивних гравітино, які можуть бути досить незвичайними кандидатами на темну матерію. У другій публікації, яка нещодавно з'явилася в журналі Physical Review D, вони також виклали пропозицію про те, як відстежити ці гравітино.

У своїй роботі фізики використовують стару ідею лауреата Нобелівської премії Мюррея Гелл-Манна, засновану на теорії «супергравітації N = 8». Одним з ключових елементів їх пропозиції є новий тип нескінченномірної симетрії, який призначений для пояснення спостережуваного спектру відомих кварків і лептонів в трьох сімействах.

«Наша гіпотеза насправді не дає жодних додаткових частинок для звичайної матерії, які потім потрібно було б відкинути, тому що вони не виявляються в експериментах на прискорювачах», - каже Герман Микола. «Навпаки, наша гіпотеза в принципі може точно пояснити те, що ми бачимо, зокрема, реплікацію кварків і лептонів у трьох сімействах».

Однак процеси в космосі не можуть бути повністю пояснені звичайною матерією, про яку ми вже знаємо. Однією з ознак цього є галактики: вони обертаються з високою швидкістю, і видимої матерії у всесвіті, на частку якої припадає всього близько 5% речовини у всесвіті, буде недостатньо, щоб утримати їх разом. Однак досі ніхто не знає, з чого складається все інше, незважаючи на численні пропозиції. Природа темної матерії, отже, є одним з найбільш важливих питань, що залишилися без відповіді в космології.

«Загальне очікування полягає в тому, що темна матерія складається з елементарної частинки, і що поки не було можливості виявити цю частинку, тому що вона взаємодіє зі звичайною матерією майже виключно за допомогою гравітаційної сили», - говорить Герман Микола. Модель, розроблена у співпраці з Кшиштофом Мейснером, пропонує нового кандидата на частинки темної матерії такого типу, хоча і з абсолютно відмінними властивостями від усіх обговорюваних досі кандидатів, таких як аксіони або WIMP.

Останні дуже слабо взаємодіють з відомою речовиною. Те ж саме відноситься і до дуже легких гравітино, які неодноразово пропонувалися в якості кандидатів темної матерії у зв'язку з низькоенергетичною суперсиметрією. Однак справжня пропозиція йде в зовсім іншому напрямку, так як вона більше не відводить першорядну роль суперсиметрії. «Зокрема, наша схема пророкує існування надважких гравітино, які - на відміну від звичайних кандидатів і на відміну від раніше розглянутих легких гравітино - також сильно і електромагнітно взаємодіють зі звичайною речовиною», - кажуть вчені.

Їхня велика маса означає, що ці частинки можуть існувати у всесвіті тільки в дуже «розбавленій формі»; в іншому випадку вони б «переповнили» всесвіт і тим самим призвели б до його раннього краху. За словами дослідників, для пояснення змісту темної матерії у всесвіті і в нашій галактиці не потрібно було б дуже багато з них - однієї частинки на 10000 кубічних кілометрів було б достатньо. Маса частинки, що постулюється Миколою і Мейснером, лежить в області маси Планка, тобто близько ста мільйонів часток кілограма. Для порівняння, протони і нейтрони - будівельні блоки атомного ядра - приблизно в десять квінтильйонів (десять мільйонів трильйонів) раз легше. У міжгалактичному просторі щільність була б навіть набагато нижчою.

«Стабільність цих важких гравітино залежить від їх незвичайних квантових чисел (зарядів)», - кажуть вчені. «Зокрема, в стандартній моделі просто немає кінцевих станів з відповідними зарядами, в які могли б розпастися ці гравітино, інакше вони б зникли незабаром після Великого вибуху».

Їх сильна і електромагнітна взаємодія з відомою речовиною може полегшити відстеження частинок темної матерії, незважаючи на їх виняткову рідкість. Одна з можливостей полягає в тому, щоб шукати їх за допомогою спеціальних вимірювань часу прольоту глибоко під землею, оскільки ці частинки рухаються набагато повільніше швидкості світла, на відміну від звичайних елементарних частинок, що походять від космічного випромінювання. Тим не менш, вони будуть без зусиль проникати на Землю через свою велику масу - як гарматне ядро, яке не може зупинити рій комарів.

Цей факт дає дослідникам ідею використовувати саму нашу планету в якості «детектора»: Земля рухається космічним простором протягом приблизно 4,5 мільярдів років, протягом яких вона повинна була проникнути через багато з цих масивних гравітино. При цьому частинки повинні були залишити довгі прямі сліди іонізації в породі, але їх може бути нелегко відрізнити від слідів, викликаних відомими частинками.

"Відомо, що іонізуюче випромінювання викликає дефекти решітки в кристалічних структурах. Може бути можливо виявити залишки таких іонізаційних треків у кристалах, які залишаються стабільними протягом мільйонів років ". Через великий «час впливу» така стратегія пошуку також може бути успішною в тому випадку, якщо темна матерія розподілена не рівномірно всередині галактик, а схильна до локальних флуктуацій щільності, що також може пояснити невдачу в пошуках більш традиційних кандидатів на темну матерію.