Гравитино: новый кандидат на роль тёмной материи

Параметризация пути гравитино, принятая в работе. Автор: Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/fm6h-7r78

Тёмная материя остаётся одной из главных загадок фундаментальной физики. Многие теоретические предложения (аксионы, вимпы) и 40 лет интенсивных экспериментальных поисков не смогли объяснить её природу.

Несколько лет назад в теории, объединяющей физику частиц и гравитацию, были предложены новые, радикально отличающиеся кандидаты на роль тёмной материи: сверхтяжёлые заряженные гравитино.

Теперь статья, опубликованная в Physical Review Research учёными из Варшавского университета и Института гравитационной физики Макса Планка, показывает, как новые подземные детекторы, в частности детектор JUNO, который скоро начнёт сбор данных, хотя и созданы для физики нейтрино, также идеально подходят для возможного обнаружения заряженных гравитино.

Симуляции, объединяющие физику элементарных частиц и квантовую химию, показывают, что сигнал от гравитино в детекторе должен быть уникальным и однозначным.

В 1981 году нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн заметил интригующий факт: частицы Стандартной модели содержатся в теории «N=8 супергравитация», сформулированной двумя годами ранее. Эта теория содержит гравитон и 8 гравитино со спином 3/2.

Если Стандартная модель действительно связана с N=8 супергравитацией, это может указать путь к решению самой сложной проблемы теоретической физики — объединению гравитации с физикой частиц.

Кшиштоф Мейснер из Варшавского университета и Херманн Николаи из Института гравитационной физики Макса Планка развили идею Гелл-Манна и смогли модифицировать исходное предложение, получив правильные электрические заряды для частиц Стандартной модели.

Одним из удивительных результатов этой модификации является то, что гравитино, обладающие колоссальной массой, близкой к планковской, оказываются электрически заряженными. Поскольку гравитино не могут распадаться, Мейснер и Николаи предположили, что два гравитино с зарядом ±2/3 могут быть частицами тёмной материи совершенно нового типа.

В отличие от популярных кандидатов вроде аксионов или вимпов, которые электрически нейтральны, гравитино заряжены. Однако из-за своей огромной массы они чрезвычайно редки и поэтому не «светятся» в небе, что позволяет им обойти строгие ограничения на заряд частиц тёмной материи.

Электрический заряд гравитино предлагает совершенно иной способ попытки доказать их существование. Китайская обсерватория JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), запуск которой запланирован на вторую половину 2025 года, кажется идеально подходящей для такого поиска. Детектор содержит 20 000 тонн жидкого сцинтиллятора в сферическом сосуде диаметром около 40 метров.

Новая работа описывает детальный анализ специфических сигнатур, которые события, вызванные гравитино, могут произвести в JUNO. Проведённое моделирование показывает, что с помощью соответствующего программного обеспечения прохождение гравитино через детектор оставит уникальный сигнал, который невозможно спутать с прохождением любой из известных сегодня частиц.

Обнаружение сверхтяжёлых гравитино стало бы крупным шагом вперёд в поисках единой теории гравитации и частиц, поскольку они предсказаны иметь массы порядка планковской массы.

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