В поисках гравитино

Около четверти вселенной находится буквально во тьме - она ​​состоит из темной материи, которая в основном проявляется через гравитацию. Что это за вещество, пока науке неизвестно.  И вот два астрофизика предложили нового кандидата на роль частицы темной материи под названием гравитино. Более того, они даже предлагают вариант, как эту частицу можно обнаружить.

Взгляд на темную материю: эта фотография - монтаж нескольких изображений - показывает сталкивающиеся скопления галактик 1E 0657-56, более известных как скопление галактик Пуля. Галактики, видимые на фоновом изображении, налагаются в оптическом свете рентгеновским излучением межгалактических газовых облаков (розового цвета), а также распределением массы, рассчитанном по эффектам гравитационной линзы и, таким образом, косвенно являющейся темной материей (синим цветом). © NASA/CXC/M. Weiss

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает строительные блоки материи, а также силы, которые удерживают их вместе. Таким образом, определяются шесть разных кварков и шесть лептонов, которые разделены на три «семейства». При этом материя окружает и нас, а мы сами в конечном итоге состоим только из трех частиц первого семейства: верхнего и нижнего кварков (Up and Down Quark) и электрона в качестве представителя лептонов. И никаких изменений в этой давно определенной стандартной модели нет. В любом случае, после ввода в эксплуатацию Большого адронного коллайдера (LHC) в ЦЕРНе около Женевы около десяти лет назад ученые не смогли обнаружить никаких новых элементарных частиц, кроме бозона Хиггса.

То есть измерения на LHC до сих пор не предоставили доказательств «новой физики», выходящей за рамки стандартной модели. Но эти результаты находятся в явном противоречии со многими предлагаемыми расширениями обычной модели, в которых ожидается большое количество новых частиц. Герман Николаи, директор Института гравитационной физики им. Макса Планка в Потсдаме, и его коллега Кшиштоф Мейснер из Варшавского университета уже пытались объяснить в предыдущем исследовании, почему в природе в качестве основных строительных блоков материи используются лишь уже известные элементарные частицы. И почему, вопреки более ранним предположениям, в ранее измеренном диапазоне энергий новых частиц ожидать не приходится. Наряду с этим, оба исследователя постулируют существование очень массивных гравитино, которые могут быть весьма необычными кандидатами на роль темной материи.

Во втором, уже опубликованном исследовании они также предлагают коллегам принять участие в исследовании этих гравитино. В своей работе Николаи и Мейснер основываются на старой идее нобелевского лауреата Мюррея Гелл-Манна, базирующейся на «теории супергравитации N = 8». Существенным элементом ее подхода является новая бесконечномерная симметрия, которая должна объяснить наблюдаемый спектр известных кварков и лептонов в трех семействах. «Исходя из нашего подхода, на самом деле нет никаких дополнительных частиц для обычной материи, которые затем нужно было бы исключать в ходе дискуссий, потому что они не обнаруживаются в экспериментах на ускорителе», - говорит Николаи. - «Напротив, наш подход может объяснить, в принципе, именно то, что мы видим».

Однако процессы в космосе не могут быть истолкованы исключительно с помощью обычной, известной нам материи. И это подтверждают галактики: они вращаются с высокой скоростью, и при этом видимого вещества, на которое приходится только около пяти процентов вещества в космосе, будет недостаточно, чтобы удерживать их вместе. Но до сих пор, несмотря на множество предложений, никто не знает, из чего же состоит остальная часть. Поэтому природа темной материи является одним из важнейших открытых вопросов космологии.

«Согласно текущим ожиданиям, темная материя состоит из элементарной частицы, которая до сих пор не была обнаружена, потому что во вселенной она заметна почти исключительно благодаря своей гравитационной силе», - говорит Николаи. Модель, разработанная совместно с Мейснером, представляет нового кандидата на такую ​​частицу темной материи, которая, однако, обладает совершенно другими свойствами, чем все обсуждаемые до сих пор кандидаты, такие как аксионы или вимпы (WIMPі). При этом последние все же должны крайне слабо взаимодействовать с известной материей. Это же относится и к очень легким гравитино, которые ученые вводили в модели снова и снова в прошлом, сочетая это с суперсимметрией низких энергий.

Подход Николаи и Мейснера полностью отходит от такого представления, потому что здесь суперсимметрии уже не отводится первостепенная роль. «В частности, наша модель предсказывает существование сверхтяжелых гравитино, которые, в отличие от традиционных кандидатов, сильно и электромагнитно взаимодействуют с обычной материей», - говорит Николаи. Их большая масса подразумевает, что эти частицы могут возникать в космосе только очень разреженными, потому что их общий вклад в массу во Вселенной может составлять не более 25,8 процента.

В нашей галактике потребовалась бы всего одна частица на 10 тысяч кубических километров, чтобы объяснить темную материю, если масса гравитино, как постулировали Николаи и Мейснер, находилась бы в пределах массы Планка, то есть примерно в одной стомиллионной на килограмм (10-8 кг). Для сравнения: протоны и нейтроны, строительные блоки атомного ядра, легче примерно в десять триллионов раз (10-27 кг). В межгалактическом же пространстве плотность была бы намного ниже.

«Помимо всего прочего, их особый заряд необходим для стабильности тяжелых гравитино», - говорит Николаи. - «В стандартной модели просто нет соответствующего заряженного конечного состояния, в котором эти гравитино могли бы распасться, иначе они исчезли бы вскоре после Большого взрыва». Их сильное взаимодействие с известной материей как раз и может помочь обнаружить такие частицы темной материи, несмотря на их исключительную редкость.

Одним из способов сделать это может быть обеспечение измерения времени пролета глубоко под землей, поскольку эти частицы движутся гораздо медленнее, чем со скоростью света, в отличие от обычных элементарных частиц, полученных из космического излучения. Тем не менее, они легко могли бы проникать в землю из-за своей большой массы. Этот факт побудил исследователей предложить идею использования нашей планеты в качестве «палеодетектора»: Земля летит в космосе уже около 4,5 миллиардов лет, и за это время в нее проникло бы уже множество таких массивных гравитино.

При этом такие частицы должны были оставить в породе длинные прямые следы ионизации, которые должны были бы отличаться от следов, оставленных после себя известными элементарными частицами. «Известно, что ионизирующее излучение приводит к дефектам решетки в кристаллических структурах. Возможно, нам удастся обнаружить остатки таких следов ионизации в кристаллах, которые остаются стабильными в течение миллионов лет», - надеется Герман Николаи.

Благодаря длительному «времени воздействия» этот метод может привести к цели даже тогда, если темная материя, вопреки общим ожиданиям, не распределена абсолютно равномерно в галактике, но подвержена локальным флуктуациям плотности - что также может объяснить, почему поиск «стандартных» кандидатов на роль темной материи до сих пор был неудачным.