Темная материя остается одной из величайших загадок фундаментальной физики. Несмотря на 40 лет интенсивных поисков, ни один из предложенных кандидатов — ни сверхлегкие аксионы, ни WIMP‑частицы — так и не были обнаружены. Все эти гипотетические частицы объединяло одно: они были электрически нейтральными, что соответствовало общепринятой концепции темной материи.
Несколько лет назад Кшиштоф Майснер из Варшавского университета и Герман Николаи из Института Макса Планка вернулись к идее нобелевского лауреата Мюррея Гелл-Манна 1981 года о связи Стандартной модели с теорией супергравитации N=8. Развивая эту идею, они обнаружили, что гравитино — частицы со спином 3/2 — должны быть электрически заряжены: шесть из них имеют заряд ±⅓, а два — ±⅔.
Эти частицы отличаются поистине экстремальными свойствами. Их масса близка к планковской — это в миллиард миллиардов раз больше массы протона. Несмотря на свою огромную массу, гравитино не могут распадаться, поскольку частиц, на которые они могли бы распасться, попросту не существует. При этом они настолько редки — предположительно, на площади 10 тысяч кубических километров в Солнечной системе находится не более одного гравитино — что их электрический заряд не противоречит наблюдательным ограничениям на заряд темной материи.
В своем новом исследовании авторы предложили способ обнаружения этих экзотических частиц. Авторы провели детальное моделирование сигналов, которые гравитино могли бы оставить в детекторе JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) — гигантской подземной установке в Китае, которая начнет работу во второй половине 2025 года.
JUNO представляет собой сферический резервуар диаметром около 40 метров, заполненный 20 тысячами тонн специальной органической жидкости и окруженный более чем 17 тысячами фотоумножителей. Несмотря на то, что этот детектор изначально создавался для изучения нейтрино, он идеально подходит и для поиска гравитино.
«Симуляции показывают, что при наличии соответствующего программного обеспечения прохождение гравитино через детектор оставит уникальный сигнал, который невозможно спутать с прохождением любой из известных в настоящее время частиц», — отмечают авторы работы.
Исследование потребовало уникального междисциплинарного подхода, объединив теоретическую физику элементарных частиц с передовыми методами квантовой химии. Ученые из химического факультета Варшавского университета Адрианна Крук и Михал Лесюк провели сложнейшие расчеты взаимодействия гравитино с молекулами детектора, учитывая множество факторов — от радиоактивного распада углерода-14 в масле до поглощения фотонов.
Обнаружение сверхтяжелых гравитино стало бы прорывом в поисках единой теории гравитации и элементарных частиц. Поскольку масса этих частиц близка к планковской, их регистрация стала бы первым прямым подтверждением существования физики околопланковского масштаба и могла бы предоставить ценные экспериментальные доказательства объединения гравитации с квантовой физикой в рамках единой теории.
Ранее астрофизики нашли скрытые космические отпечатки темной материи.