En tungvægtskandidat til mørkt stof

Næsten en fjerdedel af universet står bogstaveligt talt i skyggen. Ifølge kosmologers teorier, 25,8% af det består af mørkt stof, hvis tilstedeværelse hovedsagelig kun signaleres af dens tyngdekraft. Hvad dette stof består af er stadig et mysterium. Hermann Nicolai, Direktør ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Potsdam, og hans kollega Krzysztof Meissner fra universitetet i Warszawa har nu foreslået en ny kandidat - en super tung gravitino. Eksistensen af ​​denne stadig hypotetiske partikel følger af en hypotese, der søger at forklare, hvordan det observerede spektrum af kvarker og leptoner i standardmodellen for partikelfysik kan komme ud af en grundlæggende teori. Ud over, forskerne beskriver en mulig metode til faktisk at spore denne partikel.

Standardmodellen for partikelfysik omfatter stofets byggesten og de kræfter, der holder dem sammen. Det hedder, at der er seks forskellige kvarker og seks leptoner, der er grupperet i tre "familier". Imidlertid, sagen omkring os og vi selv består i sidste ende kun af tre partikler fra den første familie:op og ned kvarker og elektron, som er medlem af leptonfamilien.

Indtil nu, denne veletablerede standardmodel har været uændret. Large Hadron Collider (LHC) på CERN i Genève blev taget i brug for omkring ti år siden med det hovedformål at undersøge, hvad der kan ligge uden for. Imidlertid, efter ti år med at have taget data, forskere har undladt at opdage nye elementære partikler, bortset fra Higgs boson, trods udbredte forventninger til det modsatte. Med andre ord, indtil nu, målinger med LHC har undladt at give nogen tip til "ny fysik" ud over standardmodellen. Disse fund står i skarp kontrast til talrige foreslåede udvidelser af denne model, der tyder på et stort antal nye partikler.

I en tidligere artikel offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , Hermann Nicolai og Krzysztof Meissner har præsenteret en ny hypotese, der søger at forklare, hvorfor kun de allerede kendte elementarpartikler forekommer som grundlæggende byggesten i materien i naturen - og hvorfor, i modsætning til hvad man tidligere troede, ingen nye partikler kan forventes i det energiområde, der er tilgængeligt for nuværende eller tænkelige fremtidige forsøg.

Ud over, de to forskere postulerer eksistensen af ​​supermassive gravitinos, som kunne være yderst usædvanlige kandidater til mørkt stof. I en anden publikation, som for nylig optrådte i journalen Fysisk gennemgang D , de lagde også et forslag til, hvordan man sporer disse gravitinoer.

I deres arbejde, Nicolai og Meissner tager en gammel idé op fra Nobelprisvinderen Murray Gell-Mann, der er baseret på "N =8 Supergravity" -teorien. Et centralt element i deres forslag er en ny type uendelig-dimensionel symmetri, der skal forklare det observerede spektrum af de kendte kvarker og leptoner i tre familier. "Vores hypotese producerer faktisk ingen yderligere partikler til almindeligt stof, som så skulle argumenteres væk, fordi de ikke viser sig i acceleratorforsøg, "siger Hermann Nicolai." Derimod, vores hypotese kan i princippet forklare, hvad vi ser, især replikation af kvarker og leptoner i tre familier. "

Imidlertid, processer i kosmos kan ikke helt forklares af det almindelige stof, som vi allerede er klar over. Et tegn på dette er galakser:de roterer med høj hastighed, og det synlige stof i universet - som kun tegner sig for omkring 5% af stoffet i universet - ville ikke være nok til at holde dem sammen. Indtil nu, imidlertid, ingen ved, hvad resten er lavet af, trods mange forslag. Det mørke stofs natur er derfor et af de vigtigste ubesvarede spørgsmål i kosmologien.

"Den almindelige forventning er, at mørkt stof består af en elementarpartikel, og at det endnu ikke har været muligt at opdage denne partikel, fordi den interagerer med almindeligt stof næsten udelukkende af tyngdekraften, "siger Hermann Nicolai. Modellen udviklet i samarbejde med Krzysztof Meissner tilbyder en ny kandidat til en mørk stofpartikel af denne art, omend en med helt andre egenskaber end alle de kandidater, der er blevet diskuteret hidtil, f.eks. aksioner eller WIMP'er. Sidstnævnte interagerer kun meget svagt med kendt stof. Det samme gælder for de meget lette gravitinoer, der gentagne gange er blevet foreslået som kandidater til mørkt stof i forbindelse med lavenergi -supersymmetri. Imidlertid, det foreliggende forslag går i en helt anden retning, ved at det ikke længere tildeler supersymmetri en primær rolle, selvom ordningen stammer fra maksimal N =8 -tyngdekraft. "I særdeleshed, vores skema forudsiger eksistensen af ​​supertunge gravitinos, som - i modsætning til de sædvanlige kandidater og i modsætning til de tidligere betragtede lette gravitinos - også ville interagere stærkt og elektromagnetisk med almindeligt stof, ”siger Hermann Nicolai.

Deres store masse betyder, at disse partikler kun kunne forekomme i meget fortyndet form i universet; Ellers, de ville 'overlukke' universet og dermed føre til dets tidlige sammenbrud. Ifølge Max Planck -forskeren, man ville faktisk ikke have brug for ret mange af dem for at forklare indholdet af mørkt stof i universet og i vores galakse - en partikel pr. 10, 000 kubik kilometer ville være tilstrækkeligt. Massen af ​​partiklen postuleret af Nicolai og Meissner ligger i Planck -massens område - det vil sige, omkring en hundrede milliontedel af et kilo. Sammenlignet med, protoner og neutroner - byggestenene i atomkernen - er omkring ti quintillion (ti millioner billioner) gange lettere. I intergalaktisk rum, densiteten ville være endnu meget lavere.

"Stabiliteten af ​​disse tunge gravitinos afhænger af deres usædvanlige kvantetal (ladninger), "siger Nicolai." Specifikt, der er ganske enkelt ingen sluttilstande med de tilsvarende ladninger i standardmodellen, som disse gravitinoer kan forfalde til - ellers, de ville være forsvundet kort efter Big Bang. "

Deres stærke og elektromagnetiske interaktioner med kendt stof kan gøre disse mørke stofpartikler lettere at spore på trods af deres ekstreme sjældenhed. En mulighed er at søge efter dem med dedikerede time-of-flight målinger dybt under jorden, da disse partikler bevæger sig meget langsommere end lysets hastighed, i modsætning til almindelige elementarpartikler, der stammer fra kosmisk stråling. Alligevel, de ville trænge ind i Jorden uden anstrengelse på grund af deres store masse - som en kanonkugle, der ikke kan stoppes af en sværm af myg.

Denne kendsgerning giver forskerne ideen om at bruge vores planet selv som en "paleo-detektor":Jorden har kredset gennem interplanetarisk rum i omkring 4,5 milliarder år, i hvilket tidsrum det må have været trængt ind i mange af disse massive gravitinoer. I processen, partiklerne skulle have forladt længe, lige ioniseringsspor i klippen, men det er måske ikke let at skelne dem fra spor forårsaget af kendte partikler. "Det er kendt, at ioniserende stråling forårsager gitterdefekter i krystalstrukturer. Det kan være muligt at påvise relikvier af sådanne ioniseringsspor i krystaller, der forbliver stabile over millioner af år, "siger Hermann Nicolai. På grund af sin lange" eksponeringstid "kan en sådan søgestrategi også være vellykket, hvis mørkt stof ikke er homogent fordelt inde i galakser, men udsættes for lokale tæthedsudsving - hvilket også kan forklare fejlen i søgninger efter mere konventionelt mørkt sags kandidater indtil videre.