Sciencemag.cz
Doporučujeme
Temná hmota zůstává jednou z největších záhad základní fyziky. Mnoho teoretických návrhů (axiony, WIMP…) a 40 let rozsáhlého experimentálního výzkumu nepřineslo žádné vysvětlení její povahy. Před několika lety teorie sjednocující částicovou fyziku a gravitaci navrhly nové, radikálně odlišné kandidáty na temnou hmotu: supertěžká a elektricky nabitá gravitina.
Vědci z Varšavské univerzity a Ústavu Maxe Plancka pro gravitační fyziku ukazují možnosti nových podzemních detektory, zejména detektoru JUNO, který brzy začne sbírat data; i když jsou tyto detektory navrženy pro fyziku neutrin, jsou také vhodné pro případnou detekci nabitých gravitin temné hmoty.
Simulace kombinující dvě oblasti, fyziku elementárních částic a pokročilou kvantovou chemii, ukazují, že signál gravitina v detektoru by měl být jedinečný a jednoznačný.
A nyní vše trochu podrobněji.
V roce 1981 si Murray Gell-Mann, nositel Nobelovy ceny za koncepci kvarků jako základních stavebních kamenů hmoty, všiml zajímavé věci: částice Standardního modelu, kvarky a leptony, jsou obsaženy v teorii formulované čistě matematicky o dva roky dříve. Tzv. supergravitace N=8 s maximální symetrií obsahuje částice hmoty Standardního modelu se spinem 1/2, ale také graviton (se spinem 2) a 8 gravitin se spinem 3/2.
Je-li Standardní model skutečně spojen se supergravitací N=8, může tento vztah ukázat cestu ke sjednocení gravitace s částicovou fyzikou. Supergravitace N=8 v oblasti spinu ½ obsahuje 6 kvarků (u, d, c, s, t, b) a 6 leptonů (elektron, mion, tauon a neutrina) a vylučuje přítomnost jakýchkoli jiných částic hmoty.
Po 40 letech intenzivního výzkumu, který nepřinesl objev žádných nových částic je tam systém supergravitace N=8 nejen v souladu s našimi znalostmi, ale zůstává také jediným známým teoretickým vysvětlením počtu kvarků a leptonů ve Standardním modelu.
Přímé propojení supergravitace N=8 se Standardním modelem má však několik problémů, z nichž hlavní spočívá v tom, že elektrické náboje kvarků a leptonů byly posunuty o ±1/6 vzhledem k známým hodnotám; například elektron měl náboj -5/6 místo -1.
Před několika lety se Krzysztof Meissner z Varšavské univerzity a Hermann Nicolai z Max Planckova institutu pro gravitační fyziku v Postupimi vrátili ke Gell-Mannově myšlence a podařilo se jim překročit rámec supergravitace N=8 a upravit její původní návrh tak, aby získali správné elektrické náboje částic hmoty Standardního modelu. Modifikace je to ovšem dalekosáhlá a ukazuje na nekonečnou symetrii K(E10), která je matematicky málo známá a nahrazuje obvyklé symetrie Standardního modelu.
Jedním z překvapivých výsledků této modifikace, nyní popsané v nových studiích, je skutečnost, že gravitina, která mají pravděpodobně extrémně velkou hmotnost blížící se Planckově škále, tj. miliardy miliard hmotností protonu, jsou elektricky nabitá: šest z nich má náboj ±1/3 a dvě z nich ±2/3.
Gravitina, i když jsou extrémně hmotná, se nemohou rozpadat, protože neexistují žádné produkty takového rozpadu. Meissner a Nicolai proto navrhli, že dvě gravitina s nábojem ±2/3 (ostatních šest se vyskytuje mnohem méně často) by mohla být částicemi temné hmoty – velmi odlišného druhu než jakékoli dosud navrhované.
Nejčastější kandidáti, buď extrémně lehké částice jako axiony, nebo středně těžké WIMP (slabě interagující masivní částice), byli elektricky neutrální. Gravitina v tomto ohledu představují zcela novou alternativu (poznámka PH: vlastně v rozporu se základní tezí, podle které interaguje temná hmota s tou běžnou pouze gravitačně). Jak praví průvodní tisková zpráva: I když jsou elektricky nabitá, mohou tvořit temnou hmotu, protože jsou tak hmotná, že jsou extrémně vzácná, a proto „pozorovatelně nesvítí na obloze“.
Elektrický náboj gravitin navíc naznačuje zcela odlišný způsob, jak se pokusit dokázat jejich existenci.
Článek publikovaný v roce 2024 Meissnerem a Nicolaiem poukázal na to, že detektory neutrin založené na scintilátorech odlišných od vody by mohly být vhodné pro detekci gravitin temné hmoty. Hledání je však nesmírně ztíženo jejich extrémní vzácností (pravděpodobně pouze jedno gravitino na 10 000 km krychlových ve Sluneční soustavě), a proto neexistuje žádná vyhlídka na jejich detekci pomocí současných detektorů. Nicméně jsou buď již postaveny, nebo plánovány nové obří podzemní detektory, které otevírají reálné možnosti pro hledání těchto částic.
Ze všech detektorů se pro takové hledání nyní jeví jako nejnadějnější čínská Jiangmen Underground Neutrino Observatory(JUNO), která je ve fázi výstavby.
Studie popisuje velmi podrobnou simulaci možných signatur jako funkce rychlosti a dráhy gravitina putujícího nádobou s olejem v detektoru. Simulace ukazují, že s vhodným softwarem zanechá průchod gravitina detektorem jedinečný signál, který nelze zaměnit s průchodem žádné z v současnosti známých částic.
Detekce supertěžkých gravitin by každopádně byla velmi významným krokem vpřed v hledání jednotné teorie gravitace a částic.
Adrianna Kruk et al, Signatures of supermassive charged gravitinos in liquid scintillator detectors, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/fm6h-7r78
Zdroj: University of Warsaw / Phys.org, přeloženo / zkráceno
