06.10.2025. - Новый кандидат на роль темной материи

Новый кандидат на роль темной материи

Темная материя остается одной из самых больших загадок фундаментальной физики. Многие теоретические разработки (аксионы, WIMP) и 40-летние обширные экспериментальные исследования не смогли дать никакого объяснения природе темной материи. Несколько лет назад в теории, объединяющей физику элементарных частиц и гравитацию, были предложены новые, радикально отличающиеся кандидаты в темную материю: гравитино со сверхтяжелым зарядом.

Теперь в статье, опубликованной в журнале Physical Review Research учеными из Варшавского университета и Института гравитационной физики Макса Планка, показано, что новые подземные детекторы, в частности, детектор JUNO, который вскоре начнет получать данные, хотя и предназначены для физики нейтрино, также чрезвычайно хорошо подходят для обнаружения заряженных гравитино темной материи.

Моделирование, объединяющее две области - физику элементарных частиц и продвинутую квантовую химию, показывает, что сигнал гравитино в детекторе должен быть уникальным и однозначным.

В 1981 году Мюррей Гелл-Манн, лауреат Нобелевской премии за введение кварков в качестве фундаментальных составляющих материи, обратил внимание на интригующий факт, что частицы стандартной модели, кварки и лептоны, содержатся в теории, сформулированной чисто математически двумя годами ранее, "супергравитации N =8", отличающейся своей максимальная симметрия. N=8 сверхгравитация содержит частицы вещества стандартной модели со спином 1/2, но также содержит гравитационную составляющую: гравитон (со спином 2) и 8 гравитино со спином 3/2.

Если стандартная модель действительно связана со сверхгравитацией N=8, то это соотношение может указывать на способ решения самой сложной проблемы фундаментальной теоретической физики — объединения гравитации с физикой элементарных частиц. N=8 супергравитация в секторе со спином 1/2 содержит ровно 6 кварков (u, d, c, s, t,b) и 6 лептонов (электрон, мюон, тауон и нейтрино) и запрещает присутствие любых других частиц материи.

После 40 лет интенсивных исследований на ускорителях, которые не привели к открытию каких-либо новых частиц вещества, содержание вещества в условиях супергравитации N = 8 не только согласуется с нашими знаниями, но и остается единственным известным теоретическим объяснением количества кварков и лептонов в стандартной модели.

Однако прямая связь супергравитации N=8 со стандартной моделью имеет ряд недостатков, главный из которых заключается в том, что электрические заряды кварков и лептонов были сдвинуты на ±1/6 относительно известных значений; например, электрон имел заряд -5/6 вместо -1.

Несколько лет назад Кшиштоф Мейснер с физического факультета Варшавского университета, Польша, и Герман Николаи из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна/AEI), Потсдам, Германия, вернулись к идее Гелл-Манна, и им удалось выйти за рамки супергравитации N=8 и модифицировать первоначальное предложение, получая правильные электрические заряды частиц вещества стандартной модели.

Модификация имеет далеко идущие последствия, указывая на бесконечную симметрию K (E10), которая малоизвестна математически и заменяет обычные симметрии стандартной модели.

Одним из неожиданных результатов модификации, описанных в статьях в журналах Physical Review Letters и Physical Review, является тот факт, что гравитино, предположительно имеющие чрезвычайно большую массу, близкую к планковскому масштабу, то есть миллиард миллиардов масс протонов, электрически заряжены: шесть из них имеют заряд ±1/3, а два из них ±2/3.

Гравитино, несмотря на свою огромную массу, не могут распадаться, поскольку нет частиц, на которые они могли бы распадаться. Поэтому Мейсснер и Николаи предположили, что два гравитино с зарядом ±2/3 (остальные шесть имеют гораздо меньшую плотность) могут быть частицами темной материи совершенно иного типа, чем все, что предлагалось до сих пор.

А именно, широко рекламируемые обычные кандидаты, либо чрезвычайно легкие, как аксионы, либо с промежуточной (протоновой) массой, как ВИМПы (слабо взаимодействующие массивные частицы), были электрически нейтральны, что соответствовало названию "темная материя". Однако после более чем 40 лет интенсивных поисков с использованием множества различных методов и устройств никаких новых частиц, выходящих за рамки стандартной модели, обнаружено не было.

Однако гравитино представляют собой новую альтернативу. Несмотря на то, что они электрически заряжены, они могут быть кандидатами в темную материю, поскольку, будучи такими массивными, они чрезвычайно редки и, следовательно, с точки зрения наблюдений, "не светятся в небе" и избегают очень жестких ограничений на заряд составляющих темной материи.

Более того, электрический заряд гравитино предполагает совершенно иной способ доказательства их существования.

В оригинальной статье Мейснера и Николая, опубликованной в 2024 году в European Physical Journal C, отмечалось, что детекторы нейтрино, основанные на сцинтилляторах, отличных от воды, могут быть пригодны для обнаружения гравитино темной материи.

Однако поиск чрезвычайно затруднен из-за их крайней редкости (предположительно, только одно гравитино на 10 000 км3 в Солнечной системе), из-за чего нет никаких перспектив обнаружения с помощью доступных в настоящее время детекторов. Однако уже созданы или планируются новые подземные детекторы на гигантском масле или жидком аргоне, и в настоящее время открываются реальные возможности для поиска этих частиц.

Среди всех детекторов для такого поиска, по-видимому, предназначена строящаяся в настоящее время китайская подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь (JUNO). Он направлен на определение свойств нейтрино (на самом деле антинейтрино), но поскольку нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, детекторы должны иметь очень большие объемы.

В случае с детектором JUNO это означает 20 000 тонн органической, синтетической жидкости, похожей на масло, обычно используемой в химической промышленности, со специальными добавками, в сферическом сосуде диаметром около 40 метров с более чем 17 тысячами фотоумножителей вокруг сферы. Планируется, что JUNO начнет измерения во второй половине 2025 года.

В статье, опубликованной в журнале Physical Review Research, Мейснер и Николай совместно с сотрудниками Адрианной Крук и Михалом Лесюком с химического факультета Варшавского университета, представляют подробный анализ специфических сигнатур, которые события, вызванные гравитино, могут вызвать в JUNO и в будущих детекторах на жидком аргоне, таких как Deep Underground Neutrino Experiment. (ДЮНА) в Соединенных Штатах.

В статье описываются не только теоретические основы как физики, так и химии, но и очень подробное моделирование возможных сигнатур в зависимости от скорости и траектории гравитино, проходящего через резервуар с нефтью. Это потребовало углубленных знаний в области квантовой химии и интенсивных вычислений, занимающих много времени центрального процессора.

При моделировании необходимо было учитывать множество возможных факторов — распад радиоактивного 14С, присутствующего в масле, скорость темнового счета и эффективность фотоумножителей, поглощение фотонов маслом и т.д.

Моделирование показывает, что при наличии соответствующего программного обеспечения прохождение гравитино через детектор оставляет уникальный сигнал, который невозможно ошибочно отождествить с прохождением какой-либо из известных в настоящее время частиц.

Этот анализ устанавливает новые стандарты с точки зрения междисциплинарности, объединяя две различные области исследований: теоретическую и экспериментальную физику элементарных частиц, с одной стороны, и очень передовые методы современной квантовой химии - с другой.

Обнаружение сверхтяжелых гравитино стало бы важным шагом вперед в поисках единой теории гравитации и частиц. Поскольку, по прогнозам, массы гравитино будут порядка планковской, их обнаружение стало бы первым прямым свидетельством физики, близкой к планковскому масштабу, и, таким образом, могло бы предоставить ценные экспериментальные доказательства объединения всех сил природы.

Источник