Сверхтяжелое гравитино — новый кандидат на частицу темной материи

Согласно теориям космологов, 25% вселенной состоит из темной материи, присутствие которой определяется только ее гравитационным притяжением. Из чего состоит это вещество, остается загадкой. Герман Николай, директор Института гравитационной физики им. Макса Планка в Потсдаме, и его коллега Кшиштоф Мейснер из Варшавского университета теперь предложили нового кандидата — сверхтяжелое гравитино.

Существование этой все еще гипотетической частицы следует из гипотезы, которая пытается объяснить, как наблюдаемый спектр кварков и лептонов в стандартной модели физики элементарных частиц может возникнуть из фундаментальной теории. Кроме того, исследователи описывают возможный метод для фактического отслеживания этой частицы.

Стандартная модель физики элементарных частиц охватывает строительные блоки материи и силы, которые удерживают их вместе. В нем говорится, что есть шесть разных кварков и шесть лептонов, которые сгруппированы в три «семьи». Однако материя вокруг нас и нас самих в конечном итоге состоит только из трех частиц из первого семейства: верхнего и нижнего кварков и электрона, который является членом семейства лептонов.

До сих пор эта давно установившаяся стандартная модель осталась неизменной. Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе был введен в эксплуатацию около десяти лет назад с основной целью изучения того, что может лежать за пределами стандартной модели. Однако после десяти лет сбора данных ученым не удалось обнаружить никаких новых элементарных частиц, кроме бозона Хиггса, несмотря на широко распространенные ожидания об обратном.

Другими словами, до сих пор измерения с БАК не давали никаких намеков на «новую физику», выходящую за рамки стандартной модели. Эти результаты резко контрастируют с многочисленными предлагаемыми расширениями этой модели, которые предполагают большое количество новых частиц.

В более ранней статье, опубликованной в Physical Review Letters, Герман Николаи и Кшиштоф Мейснер представили новую гипотезу, которая пытается объяснить, почему только уже известные элементарные частицы являются основными строительными блоками материи в природе и почему, вопреки тому, что ранее считалось, не следует ожидать появления новых частиц в диапазоне энергий, доступных для текущих или возможных будущих экспериментов.

Кроме того, два исследователя постулируют существование сверхмассивных гравитино, которые могут быть весьма необычными кандидатами на темную материю. Во второй публикации, которая недавно появилась в журнале Physical Review D, они также изложили предложение о том, как отследить эти гравитино.

В своей работе физики используют старую идею лауреата Нобелевской премии Мюррея Гелл-Манна, основанную на теории «супергравитации N = 8». Одним из ключевых элементов их предложения является новый тип бесконечномерной симметрии, который предназначен для объяснения наблюдаемого спектра известных кварков и лептонов в трех семействах.

«Наша гипотеза на самом деле не дает никаких дополнительных частиц для обычной материи, которые потом нужно было бы отвергнуть, потому что они не обнаруживаются в экспериментах на ускорителях», — говорит Герман Николай. «Напротив, наша гипотеза в принципе может точно объяснить то, что мы видим, в частности, репликацию кварков и лептонов в трех семействах».

Однако процессы в космосе не могут быть полностью объяснены обычной материей, о которой мы уже знаем. Одним из признаков этого являются галактики: они вращаются с высокой скоростью, и видимой материи во вселенной, на долю которой приходится всего около 5% вещества во вселенной, будет недостаточно, чтобы удержать их вместе. Однако до сих пор никто не знает, из чего состоит все остальное, несмотря на многочисленные предложения. Природа темной материи, следовательно, является одним из наиболее важных вопросов, оставшихся без ответа в космологии.

«Общее ожидание состоит в том, что темная материя состоит из элементарной частицы, и что пока не было возможности обнаружить эту частицу, потому что она взаимодействует с обычной материей почти исключительно посредством гравитационной силы», — говорит Герман Николай. Модель, разработанная в сотрудничестве с Кшиштофом Мейснером, предлагает нового кандидата на частицы темной материи такого типа, хотя и с совершенно отличными свойствами от всех обсуждаемых до сих пор кандидатов, таких как аксионы или WIMP.

Последние очень слабо взаимодействуют с известным веществом. То же самое относится и к очень легким гравитино, которые неоднократно предлагались в качестве кандидатов темной материи в связи с низкоэнергетической суперсимметрией. Однако настоящее предложение идет в совершенно ином направлении, так как оно больше не отводит первостепенную роль суперсимметрии. «В частности, наша схема предсказывает существование сверхтяжелых гравитино, которые — в отличие от обычных кандидатов и в отличие от ранее рассмотренных легких гравитино — также сильно и электромагнитно взаимодействуют с обычным веществом», — говорят ученые.

Их большая масса означает, что эти частицы могут существовать во вселенной только в очень «разбавленной форме»; в противном случае они бы «переполнили» вселенную и тем самым привели бы к ее раннему краху. По словам исследователей, для объяснения содержания темной материи во вселенной и в нашей галактике не нужно было бы очень много из них — одной частицы на 10000 кубических километров было бы достаточно. Масса частицы, постулируемая Николаем и Мейснером, лежит в области массы Планка, то есть около ста миллионов долей килограмма. Для сравнения, протоны и нейтроны — строительные блоки атомного ядра — примерно в десять квинтиллионов (десять миллионов триллионов) раз легче. В межгалактическом пространстве плотность была бы даже намного ниже.

«Стабильность этих тяжелых гравитино зависит от их необычных квантовых чисел (зарядов)», — говорят ученые. «В частности, в стандартной модели просто нет конечных состояний с соответствующими зарядами, в которые могли бы распасться эти гравитино, иначе они бы исчезли вскоре после Большого взрыва».

Их сильное и электромагнитное взаимодействие с известным веществом может облегчить отслеживание частиц темной материи, несмотря на их исключительную редкость. Одна из возможностей состоит в том, чтобы искать их с помощью специальных измерений времени пролета глубоко под землей, поскольку эти частицы движутся намного медленнее скорости света, в отличие от обычных элементарных частиц, происходящих от космического излучения. Тем не менее, они будут без труда проникать на Землю из-за своей большой массы — как пушечное ядро, которое не может остановить рой комаров.

Этот факт дает исследователям идею использовать саму нашу планету в качестве «детектора»: Земля движется по космическому пространству в течение примерно 4,5 миллиардов лет, в течение которых она должна была проникнуть через многие из этих массивных гравитино. При этом частицы должны были оставить длинные прямые следы ионизации в породе, но их может быть нелегко отличить от следов, вызванных известными частицами.

«Известно, что ионизирующее излучение вызывает дефекты решетки в кристаллических структурах. Может быть возможно обнаружить остатки таких ионизационных треков в кристаллах, которые остаются стабильными в течение миллионов лет». Из-за большого «времени воздействия» такая стратегия поиска также может быть успешной в том случае, если темная материя распределена не равномерно внутри галактик, а подвержена локальным флуктуациям плотности, что также может объяснить неудачу в поисках более традиционных кандидатов на темную материю.

Krzysztof A. Meissner et al. Planck mass charged gravitino dark matter, Physical Review D (2019). DOI: 10.1103/PhysRevD.100.035001

Krzysztof A. Meissner et al. Standard Model Fermions and Infinite-Dimensional R Symmetries, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.091601