Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок фундаментальной физики. Многочисленные теоретические предположения (аксионы, WIMP) и 40 лет интенсивных экспериментальных поисков не дали объяснения природы тёмной материи.
Несколько лет назад в теории, объединяющей физику элементарных частиц и гравитацию, были предложены новые, радикально отличающиеся кандидаты в тёмную материю: супертяжёлые заряженные гравитино.
Исследование из Университета Варшавы и Института гравитационной физики Макса Планка
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Research, учёные из Университета Варшавы и Института гравитационной физики Макса Планка показывают, как новые подземные детекторы, в частности детектор JUNO, который скоро начнёт сбор данных, хотя и предназначен для физики нейтрино, также чрезвычайно хорошо подходит для возможного обнаружения заряженных гравитино тёмной материи.
Моделирование, сочетающее две области — физику элементарных частиц и передовую квантовую химию, показывает, что сигнал гравитино в детекторе должен быть уникальным и однозначным.
Связь между Стандартной моделью и N=8 супергравитацией
В 1981 году Мюррей Гелл-Манн, лауреат Нобелевской премии за введение кварков как фундаментальных составляющих материи, заметил интригующий факт: частицы Стандартной модели, кварки и лептоны, содержатся в теории, сформулированной чисто математически двумя годами ранее — «N=8 супергравитации», отличающейся максимальной симметрией. N=8 супергравитация содержит частицы материи Стандартной модели со спином ½, но также содержит гравитационную часть: гравитон (со спином 2) и 8 гравитино со спином 3/2.
Если Стандартная модель действительно связана с N=8 супергравитацией, то эта связь может указывать на способ решения самой сложной проблемы фундаментальной теоретической физики — объединения гравитации с физикой элементарных частиц.
Модификация предложения
Несколько лет назад Кшиштоф Мейсснер из физического факультета Университета Варшавы, Польша, и Герман Николя из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна/AEI), Потсдам, Германия, вернулись к идее Гелл-Манна и смогли выйти за рамки N=8 супергравитации и модифицировать исходное предложение, получив правильные электрические заряды частиц материи Стандартной модели.
Модификация далеко идущая, указывает на бесконечную симметрию K(E10), малоизвестную математически и заменяющую обычные симметрии Стандартной модели.
Одним из удивительных результатов модификации, описанных в статьях в Physical Review Letters и Physical Review, является тот факт, что гравитино, предположительно обладающие чрезвычайно большой массой, близкой к планковской шкале, т. е. массой, равной миллиарду миллиардов масс протонов, электрически заряжены: шесть из них имеют заряд ±1/3, а два — ±2/3.
Гравитино, хотя и обладают чрезвычайно большой массой, не могут распадаться, поскольку нет частиц, в которые они могли бы распасться. Мейсснер и Николя предположили, что два гравитино с зарядом ±2/3 (другие шесть имеют гораздо меньшее обилие) могут быть частицами тёмной материи совершенно иного рода, чем всё, что предлагалось до сих пор.
Стабильность строительных блоков жизни
Хотя строительные блоки жизни, такие как водород и кислород, кажутся нам стабильными, многие теории физики предсказывают, что на самом деле они просто чрезвычайно долгоживущие, а частицы, обнаруженные в их ядрах, медленно, но в конечном итоге распадаются.
Для исследования этой идеи исследователи искали доказательства этого распада, ища слабые сигналы распадающихся протонов в японской обсерватории Super-Kamiokande.
Пока не появились окончательные сигналы распада протонов, что означает, что если протон действительно распадается, то его время жизни, вероятно, превышает 10³³ лет — это 10 с 32 нулями позади.
Однако японская обсерватория не может увидеть все типы распада протонов: если фрагменты распада имеют слишком низкую энергию, они будут невидимы для детектора.
В недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, физики из Вирджинии показали, что два других обсерватории — Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) и Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) — вскоре смогут увидеть эти распады протонов с более низкой энергией благодаря их дополнительным конструктивным особенностям детекторов.