Гравитиното - нов кандидат за тъмна материя и не само

Offnews Последна промяна на 26 септември 2025 в 00:00 133 0

Детекторът JUNO

Кредит JUNO Collaboration
Детекторът JUNO, който скоро ще започне да събира данни, въпреки че е проектиран за физика на неутриното, е изключително подходящ и за евентуално откриване на гравитино от заредена тъмна материя.

Тъмната материя остава една от най-големите мистерии във фундаменталната физика. Много теоретични предложения (аксиони, WIMP-ове) и 40 години обширни експериментални търсения не успяват да дадат никакво обяснение за природата на тъмната материя.

Преди няколко години, в теория, обединяваща физиката на елементарните частици и гравитацията, са предложени нови, коренно различни кандидати за тъмна материя: свръхтежки заредени частици гравитино.

Сега статия, публикувана в Physical Review Research от учени от Варшавския университет и Института за гравитационна физика "Макс Планк", показва как новите подземни детектори, по-специално детекторът JUNO, който скоро ще започне да събира данни, въпреки че е проектиран за физика на неутриното, са изключително подходящи и за евентуално откриване на гравитино от заредена тъмна материя.

Суперсиметрията

Суперсиметрията е разширение на Стандартния модел на физиката, който описва основните частици на природата и техните взаимодействия.

Според теорията на суперсиметрията всяка частица има по-масивен партньор. Така гравитонът - хипотетичната все още неоткрита частица, носител на гравитацията - има суперсиметричен партньор - гравитино.

Теорията на суперсиметрията запълва някои пропуски в модела и осигурява основа за обединяване силите на природата. Според тази теория, всяка частица има по-масивен партньор. Така частицата - носител светлина - фотонът - ще има партньор, наречен фотино (photino). Кварките, градивен елемент на протоните и неутроните, ще имат партньор наричен скварк (squark). А гравитонът - хипотетичната все още неоткрита частица, носител на гравитацията - има суперсиметричен партньор - гравитино.

В четири пространствено-времеви измерения, N = 8 супергравитацията, предложена от Стивън Хокинг, е най-симетричната квантова теория на полето, която включва гравитация и краен брой полета. Тя може да бъде получена чрез редуциране на измеренията на единадесетизмерна супергравитация, като размерът на седем от измеренията се намали до нула. Тя има осем суперсиметрии, което е най-многото, което всяка гравитационна теория може да има, тъй като има осем полустъпки между спин 2 и спин -2. (Гравитонът със спин 2 е частицата с най-висок спин в тази теория.)

Повече суперсиметрии биха означавали, че частиците биха имали суперпартньори със спинове по-високи от 2. Единствените теории със спинове по-високи от 2, които са съвместими, включват безкраен брой частици (като теорията на струните и теориите с по-високи спинове). Стивън Хокинг в своята "Кратка история на времето" предполага, че тази теория може да бъде теорията на всичко. В по-късни години обаче това е изоставено в полза на теорията на струните.

През 21-ви век се наблюдава подновен интерес, с възможността тази теория да е крайна.

Теорията съдържа 1 гравитон (спин 2), 8 частици гравитино (спин 3/2), 28 векторни бозона (спин 1), 56 фермиона (спин 1/2), 70 скаларни полета (спин 0), където няма частици с отрицателен спин. Тези числа са прости комбинаторни числа, които идват от триъгълника на Паскал - безкрайна триъгълна таблица с числа, където всеки ред започва и завършва с единица, а останалите числа са сумата от двете числа над тях от предишния ред.

Най-горният ред съдържа само числото 1.Този ред е нулевият ред. Следващият е първи ред – съставен е от две единици. Всеки следващ ред се попълва като първото и последното число са единици, а всяко от останалите е равно на сбора на онези две, които са точно над него.

Както симетричен обект може да бъде завъртян в различни посоки и пак да остане същият, суперсиметричната теория може да бъде "обърната", така че частица със спин X да стане частица със спин X-½ (различен тип частица) и теорията ще остане същата. Колкото по-високо е числото N, толкова повече различни посоки може да бъде "обърната" теорията.

Ако имате четири посоки, в които да се "завъртите" и изберете една, имате четири опции, докато избирането на две ви дава шест различни избора. Това е само линията 1-4-6-4-1 на триъгълника. Ако слезете до осмата, ще забележите числата от супергравитация N=8: 1 гравитон, 8 гравитина, 28 гравифотона, 56 фермиона и 70 скалара.

Симулациите, комбиниращи две области - физика на елементарните частици и напреднала квантова химия, показват, че сигналът на гравитино в детектора трябва да бъде уникален и недвусмислен.

През 1981 г. Мъри Гел-Ман, носител на Нобелова награда за въвеждането на кварките като фундаментални съставки на материята, забелязва интригуващия факт, че частиците на Стандартния модел, кварките и лептоните, се съдържат в теория, формулирана чисто математически две години по-рано, "N=8 супергравитация", отличаваща се с максималната си симетрия. N=8 супергравитацията съдържа частици материя от Стандартния модел със спин 1/2, но също така съдържа гравитационна част: гравитон (със спин 2) и 8 частици гравитино със спин 3/2.

Ако Стандартният модел наистина е свързан със супергравитацията с N=8, връзката може да посочи начин за решаване на най-трудния проблем на фундаменталната теоретична физика - обединяването на гравитацията с физиката на елементарните частици. N=8 супергравитацията в сектора със спин ½ съдържа точно 6 кварка (u, d, c, s, t, b или горен кварк, долен кварк, чаровен кварк, странен кварк, върховен кварк, дънен кварк) и 6 лептона (електроните и техните братовчеди - мюони и тау частици и трите вида неутрино - електронно, мюонно и тау неутрино) и забранява наличието на други частици материя.

След 40 години интензивни изследвания с ускорители, без да се открият нови частици материя, съдържанието на материя в N=8 супергравитацията не само е в съответствие с нашите знания, но и остава единственото известно теоретично обяснение за броя на кварките и лептоните в Стандартния модел.

Въпреки това, директната връзка на N=8 супергравитацията със Стандартния модел има няколко недостатъка, основният от които е, че електрическите заряди на кварките и лептоните са изместени с ±1/6 спрямо известните стойности; например електронът е имал заряд -5/6 вместо -1.

Преди няколко години Кшищоф Майснер (Krzysztof Meissner) от Физическия факултет на Варшавския университет, Полша, и Херман Николай (Hermann Nicolai) от Института за гравитационна физика "Макс Планк" (Институт "Алберт Айнщайн"/AEI) в Потсдам, Германия, се връщат към идеята на Гел-Ман и успяват да надхвърлят N=8 супергравитацията и да модифицират първоначалното предложение, получавайки правилните електрически заряди на частиците материя от Стандартния модел.

Модификацията е широкообхватна, сочейки към безкрайна симетрия K(E10), която е малко позната математически и замества обичайните симетрии на Стандартния модел.

Един от изненадващите резултати от модификацията, описан в статии в Physical Review Letters и Physical Review, е фактът, че частиците гравитино, вероятно са с изключително голяма маса, близка до Планковата скала, т.е. милиарди милиарди протонни маси, и са електрически заредени: шест от тях имат заряд ±1/3, а две от тях ±2/3.

Частиците гравитино, въпреки че са изключително масивни, не могат да се разпаднат, тъй като няма частици, на които биха могли да се разпаднат. Следователно Майснер и Николай предполагат, че две частици гравитино със заряд ±2/3 (другите шест имат много по-малко количество) биха могли да бъдат частици тъмна материя от много различен вид от всичко предложено досега.

Те се различават много от популярните обичайни кандидати за "тъмна материя"- или изключително леките аксиони, или "слабо взаимодействащите масивни частици" (WIMP), които са електрически неутрални.

След повече от 40 години интензивно търсене с много различни методи и устройства обаче, не са открити нови частици извън Стандартния модел.

Частиците гравитино обаче представляват нова алтернатива. Въпреки че са електрически заредени, те могат да бъдат кандидати за тъмна материя, защото, бидейки толкова масивни, са изключително редки и следователно от наблюдателна гледна точка "не светят в небето" и избягват много строгите ограничения върху заряда на съставките на тъмната материя.

Освен това, електрическият заряд на частиците гравитино предполага съвсем различни начини за доказване на тяхното съществуване.

Оригиналната статия, публикувана през 2024 г. в European Physical Journal C от Майснер и Николай, посочва, че неутринните детектори, базирани на сцинтилатори, различни от водните, биха могли да бъдат подходящи за откриване на тъмноматерийно гравитино.

Търсенето обаче е изключително трудно поради изключителната им рядкост (вероятно само едно гравитино на 10 000 км³ в Слънчевата система), поради което няма изгледи за откриване с наличните в момента детектори. Въпреки това, нови гигантски, нефтени или течноаргонови подземни детектори или са построени, или са планирани, и сега се откриват реалистични възможности за търсене на тези частици.

Сред всички детектори, китайската подземна неутринна обсерватория Дзянмън (JUNO), която е в процес на изграждане, изглежда е предопределена за подобно търсене. Тя има за цел да определи свойствата на неутрино (всъщност антинеутрино), но тъй като неутриното взаимодейства изключително слабо с материята, детекторите трябва да имат много големи обеми.

В случая с детектора JUNO това означава 20 000 тона органична, синтетична маслоподобна течност, често използвана в химическата промишленост, със специални добавки, в сферичен съд с диаметър приблизително 40 метра с повече от 17 хиляди фотоумножители около сферата. JUNO е планирано да започне измерванията през втората половина на 2025 г.

Статията в Physical Review Research от Майснер и Николай, със сътрудници от Химическия факултет на Варшавския университет, представя подробен анализ на специфичните сигнатури, които събития, причинени от гравитино, биха могли да произведат в JUNO и в бъдещи детектори за течен аргон, като например Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) в Съединените щати.

Параметризация на пътя на гравитиното, използвана в тази работа. Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/fm6h-7r78Параметризация на пътя на гравитиното, използвана в тази работа. Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/fm6h-7r78

Статията описва не само теоретичната основа както от гледна точка на физиката, така и на химията, но и много подробна симулация на възможните сигнатури като функция от скоростта и траекторията на гравитино, преминаващо през нефтения съд. Това изискваше задълбочени познания по квантова химия и интензивни изчисления.

Симулациите показват, че с подходящ софтуер, преминаването на гравитино през детектора ще остави уникален сигнал, който е невъзможно да бъде погрешно идентифициран с преминаването на която и да е от известните в момента частици.

Анализът поставя нови стандарти по отношение на интердисциплинарността, като комбинира две различни области на изследване: теоретична и експериментална физика на елементарните частици, от една страна, и много напреднали методи на съвременната квантова химия, от друга.

Откриването на свръхтежките частици гравитино би било важна стъпка напред в търсенето на единна теория за гравитацията и частиците. Тъй като се предвижда гравитината да имат маси от порядъка на Планковата маса, тяхното откриване би било първата пряка индикация за физика близо до Планковата скала и по този начин би могло да предостави ценни експериментални доказателства за обединяване на всички сили на природата.

Справка: Adrianna Kruk et al, Signatures of supermassive charged gravitinos in liquid scintillator detectors, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/fm6h-7r78

Източник: The gravitino: A new candidate for dark matter, University of Warsaw

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !