Superheavy nabitý gravitaci mohou být dlouho hledanou odpovědí na temnou hmotu.
Temná hmota zůstává jednou z největších záhad v základní fyzice. Mnoho teoretických návrhů (Axions, Wimps) a 40 let rozsáhlého experimentálního vyhledávání nevysvětlilo, co je temná hmota. Před několika lety představila teorie, která se snaží sjednotit fyziku a gravitaci částic, radikálně odlišnou možnost: Superheavy, elektricky nabitý gravitaci jako kandidáti na temnou hmotu.
Nedávný papír v Fyzický revizní výzkum Vědci z Varšavské univerzity a Institutu Max Plancka pro gravitační fyziku ukazují, že nové podzemní detektory, zejména detektor Juno, které brzy začnou přijímat data, jsou vhodné pro detekci nabitých gravitanů temné hmoty, i když byly navrženy pro fyziku neutrino. Simulace, které překlenují fyziku elementární částic s pokročilou kvantovou chemií, naznačují, že gravitino by v detektoru zanechalo signál, který je jedinečný a jednoznačný.
V roce 1981 laureát Nobelovy ceny Murray Gell-Mann, který zavedl Quarks jako základní složky hmoty, poznamenal, že částice standardního modelu-Quarks a leptony-se objevují v čistě matematické teorii formulované o dva roky dříve: n = 8 supergravity, zaznamenaly jeho maximální symetrii. N = 8 Supergravity zahrnuje kromě standardních modelových částic rotace 1/2 gravitační sektor s gravitonem (rotací 2) a 8 gravitací rotace 3/2. Pokud je standardní model skutečně spojen s n = 8 supergravitací, mohl by tento vztah směřovat k řešení jednoho z nejtěžších problémů v teoretické fyzice – sjednocující gravitaci s fyzikou částic. Ve svém sektoru Spin ½ obsahuje n = 8 supergravity přesně 6 kvarků (u, d, c, s, t, b) a 6 leptonů (elektronů, muon, taon a neutrina) a zakazuje jakékoli další částice hmoty.
Po 40 letech intenzivního výzkumu akcelerátoru bez objevů nových částic hmoty zůstává obsah předpovězený n = 8 supergravitací v souladu s pozorováním a je stále jediným známým teoretickým vysvětlením, proč standardní model přesně má počet kvarků a leptonů. Přímé mapování mezi n = 8 supergravitací a standardním modelem však čelí hlavnímu problému: elektrické náboje kvarků a leptonů byly posunuty o ± 1/6 vzhledem k jejich známým hodnotám. Například elektron by měl nabíjení -5/6 místo -1.
Prodloužení supergravity
Před několika lety Krzysztof Meissner z Fakulty fyziky na univerzitě ve Varšavě, Polsku a Hermann Nicolai z Maxe Planckovy institutu pro gravitační fyziku (Albert Einstein Institute/AEI), Potsdam, Potsdam, vrácené do myšlenky Gell-Mann, které byly schopny překročit n = 8 Supergravita a Původní částku, která je ocitována korektní, ocitovaná částka, která je korektním korektním motivem. Modifikace je velmi daleko, která ukazuje na nekonečnou symetrii K (E10), matematicky známá a nahrazuje obvyklé symetrie standardního modelu.
Jeden z překvapivých výsledků úpravy, popsané v článcích v Fyzikální kontrolní dopisy a Fyzická recenzeje skutečnost, že gravitinos, pravděpodobně extrémně velké hmotnosti blízké Planckové stupnici, tj. miliardy miliard protonových hmot, jsou elektricky nabité: 6 z nich má nabití ± 1/3 a 2 z nich ± 2/3. Gravitinos, i když jsou extrémně masivní, se nemohou rozpadat, protože neexistují žádné částice, do kterých by se mohli rozpadat. Meissner a Nicolai proto navrhli, že 2 gravitany náboje ± 2/3 (ostatních 6 má mnohem nižší hojnost) by mohly být částice tmavé hmoty velmi odlišného druhu než cokoli, co dosud navrhovalo. Konkrétně, široce inzerovaní obvyklí kandidáti, buď extrémně lehké, jako jsou axiony nebo střední (protonová) hmota, jako jsou wimpy (slabě interagující masivní částice), byli elektricky neutrální, v kompatibilitě s názvem „Temná hmota“. Po více než 40 letech intenzivního vyhledávání mnoha různými metodami a zařízeními však nebyly detekovány žádné nové částice nad standardním modelem.
Gravitinos však představuje novou alternativu. I když jsou elektricky nabité, mohou to být kandidáti na temnou hmotu, protože být tak masivní, že jsou extrémně vzácní, a proto pozorovaně „nesvítí na obloze“ a vyhýbají se velmi těsným omezením na náboji složek temné hmoty. Navíc elektrický náboj Gravitinos navrhl zcela odlišný způsob, jak se pokusit prokázat svou existenci.
Původní papír v roce 2024 v EUR. Phys. J. Meissner a Nicolai zdůraznili, že detektory neutrino, založené na scintilátorech odlišných od vody, by mohly být vhodné pro detekci gravitanů tmavé hmoty. Hledání je však nesmírně obtížné jejich extrémní vzácností (pravděpodobně pouze jeden gravitino na 10 000 km3 ve sluneční soustavě), a proto neexistuje žádná vyhlídka na detekci s v současnosti dostupnými detektory. Nové obří, ropné nebo kapalné argonové podzemní detektory jsou však konstruovány nebo plánované a realistické možnosti hledání těchto částic se nyní otevírají.
Ze všech detektorů se zdá, že čínští observatoř Underground Neutrino (Juno), kteří jsou nyní ve výstavbě, předurčeni pro takové pátrání. Jeho cílem je stanovit vlastnosti neutrin (ve skutečnosti antineutrinos), ale protože neutrina interagují extrémně slabě s hmotou, musí mít detektory velmi velké objemy. V případě detektoru Juno to znamená 20 000 tun organické, syntetické olejové kapaliny, běžně používané v chemickém průmyslu, se speciálními doplňky, ve sférické nádobě s průměrem přibližně 40 metrů s více než 17 tisíci fotomultiplikátorů kolem sféry. Juno je naplánováno na zahájení měření ve druhé polovině roku 2025.
Výhoda Juno
Nedávno publikovaný dokument v Fyzický revizní výzkum Meissner a Nicolai, se spolupracovníky Adriannou Kruk a Michal Lesiuk z fakulty chemie na Varšavské univerzitě, představuje podrobnou analýzu specifických podpisů, které by události způsobené Gravitinos mohly produkovat v Juno a v budoucích tekutých argonových detektorech, jako je hluboký podzemní neutrino experiment (duna) (duna) (duna) (duna) (duna) (duna).
Článek popisuje nejen teoretické pozadí na stranách fyziky i chemie, ale také velmi podrobnou simulaci možných podpisů jako funkce rychlosti a stopy gravitino procházejícího ropnou nádobou. Vyžadovalo to velmi pokročilé znalosti kvantové chemie a intenzivní výpočty konzumujících CPU. Simulace musely vzít v úvahu mnoho možných pozadí – rozpad radioaktivního C14 přítomného v oleji, rychlost tmavého počtu a účinnost fotomultiplikátorů, absorpci fotonů v oleji atd.
Simulace ukazují, že s příslušným softwarem bude průchod gravitonu detektorem ponechat jedinečný signál nemožný být nesprávně identifikován průchodem kterékoli z současně známých částic. Analýza stanoví nové standardy z hlediska interdisciplinarity kombinací dvou různých oblastí výzkumu: teoretická a experimentální fyzika prvků částic na jedné straně a velmi pokročilé metody moderní kvantové chemie na straně druhé.
Detekce superheavy gravitatinos by byla hlavním krokem vpřed při hledání sjednocené teorie gravitace a částic. Vzhledem k tomu, že se předpokládá, že Gravitinos bude mít masy na pořadí Planckové mše, jejich detekce by byla první přímým indikací fyziky poblíž Planckovy stupnice a mohla by tak poskytnout cenné experimentální důkazy o sjednocení všech přírodních sil.
Reference:
„Podpisy supermassivních nabitých gravitanů v detektorech kapaliny scintilátoru“ Adrianna Kruk, Michał Lesiuk, Krzysztof A. Meissner a Hermann Nicolai, 13. srpna 2025, Fyzický revizní výzkum.
Dva: 10.1103/FM6H-7R78
„Standardní model Symmetries and K (E10)“ od Krzysztof A. Meissner a Hermann Nicolai, 7. srpna 2025, Journal of High Energy Physics.
Dva: 10.1007/JHEP08 (2025) 054
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
