Karanlık madde temel fizikteki en büyük gizemlerden biri olmaya devam ediyor. Birçok teorik teklif (aksiler, WIMP’ler) ve 40 yıllık kapsamlı deneysel aramalar, karanlık maddenin doğası hakkında herhangi bir açıklama yapamamıştır.
Birkaç yıl önce, parçacık fiziğini ve yerçekimini birleştiren bir teoride, yeni, radikal olarak farklı karanlık madde adayları önerildi: Superheavy yüklü gravitinolar.
Şimdi, yayınlanan bir makale Fiziksel İnceleme Araştırması Varşova Üniversitesi ve Max Planck Yerçekimi Fizik Enstitüsü’nden bilim adamları tarafından, yeni yeraltı dedektörlerinin, özellikle de nötrino fiziği için tasarlanmış olsa da, veri almaya başlayan Juno dedektörünün de sonunda yüklü karanlık madde gravitinolarını tespit etmek için son derece uygun olduğunu gösteriyor.
İki alanı birleştiren simülasyonlar, temel parçacık fiziği ve gelişmiş kuantum kimyası, dedektördeki gravitino sinyalinin benzersiz ve kesin olması gerektiğini göstermektedir.
1981’de, Maddenin temel bileşenleri olarak kuarkların tanıtımı için Nobel ödüllü Murray Gell-Mann, standart modelin, kuarkların ve leptonların parçacıklarının, iki yıl önce, “n = 8 süpergravite”, maksimum maksimum simetrisiyle farklı bir teoride bulunduğunu fark etti. N = 8 Supergravity spin 1/2 standart model madde parçacıkları içerir, ancak aynı zamanda bir yerçekimi parçası içerir: graviton (spin 2) ve 8 gravitino spin 3/2.
Standart model gerçekten n = 8 süpergravite ile ilişkiliyse, ilişki temel teorik fizik problemini çözmenin bir yoluna işaret edebilir – yerçekimini parçacık fiziği ile birleştirme. N = 8 spin ½ sektöründeki süpergravite tam olarak 6 kuarkı (U, D, C, S, T, B) ve 6 lepton (elektron, muon, tauon ve nötrinolar) içerir ve diğer madde parçacıklarının varlığını yasaklar.
40 yıllık yoğun hızlandırıcı araştırmalarının herhangi bir yeni madde parçacığını keşfetemedikten sonra, n = 8 Supergravity madde içeriği sadece bilgimizle tutarlı değildir, aynı zamanda standart modeldeki kuark ve lepton sayısının bilinen tek teorik açıklaması olmaya devam etmektedir.
Bununla birlikte, n = 8 süpergravitenin standart modelle doğrudan bağlantısı birkaç dezavantajı vardır, bu da kuarkların ve leptonların elektrik yüklerinin bilinen değerlere göre ± 1/6 ile kaydırılmasıdır; Örneğin, bir elektronun -1 yerine -5/6 yükü vardı.
Birkaç yıl önce, Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi’nden Krzysztof Meissner, Maksimum Planck Yerçekimi Fizik Enstitüsü’nden (Albert Einstein Enstitüsü/AEI), Potsdam, Almanya’dan, Şart Şartları’na geri döndüler ve Geleli Manny’nin fikrine geri döndüler ve orijinalin ötesine geçebildiler ve orijinalin yerine geçebildiler. Standart model madde parçacıkları.
Değişiklik, matematiksel olarak çok az bilinen ve standart modelin olağan simetrilerinin yerini alan sonsuz bir simetriye (E10) işaret eder.
Makalelerde açıklanan modifikasyonun şaşırtıcı sonuçlarından biri Fiziksel İnceleme Mektupları Ve Fiziksel İncelememuhtemelen Planck ölçeğine yakın son derece büyük bir kütle, yani milyar milyar proton kütlesi elektriksel olarak yüklüdür: altısının ± 1/3 ve ikisi ± 2/3’ü vardır.
Gravitinos, son derece büyük olmalarına rağmen, bozulabilecekleri parçacıklar olmadığı için çürüyemez. Meissner ve Nicolai bu nedenle ± 2/3 şarjı (diğer altısının çok daha düşük bolluğa sahip olduğu), şimdiye kadar önerilen her şeyden çok farklı bir tür karanlık madde parçacıkları olabileceğini öne sürdü.
Yani, yaygın olarak ilan edilen olağan adaylar, akslar gibi son derece hafif ya da WIMP’ler (zayıf etkileşen büyük parçacıklar) gibi ara (proton) kütle, “karanlık madde” adıyla uyumluluk olarak elektriksel olarak nötrdür. Bununla birlikte, birçok farklı yöntem ve cihaz tarafından 40 yılı aşkın yoğun bir araştırmadan sonra, standart modelin ötesinde yeni parçacıklar tespit edilmemiştir.
Bununla birlikte, gravitinolar yeni bir alternatif sunar. Elektriksel olarak yüklü olmalarına rağmen, karanlık madde adayları olabilirler, çünkü çok büyük oldukları için son derece nadirdirler ve bu nedenle gözlemsel olarak “gökyüzünde parlamazlar” ve karanlık madde bileşenlerinin yükü üzerindeki çok sıkı kısıtlamalardan kaçınırlar.
Dahası, gravitinoların elektrik yükü, varlıklarını kanıtlamaya çalışmanın tamamen farklı bir yolunu önermektedir.
2024 yılında yayınlanan orijinal makale Avrupa Fiziksel Dergisi C Meissner ve Nicolai, sudan farklı sintilatörlere dayanan nötrino dedektörlerinin, karanlık madde gravitinoların tespiti için uygun olabileceğine dikkat çekti.
Bununla birlikte, arama aşırı nadirliği ile çok zorlaşır (muhtemelen 10.000 km’de sadece bir gravitino3 güneş sisteminde), bu nedenle şu anda mevcut dedektörlerle tespit olasılığı yoktur. Bununla birlikte, yeni dev, yağ veya sıvı argon yeraltı dedektörleri ya inşa edilmiş veya planlanmış ve bu parçacıkları aramak için gerçekçi olasılıklar şimdi açılıyor.
Tüm dedektörler arasında, şu anda yapım aşamasında olan Çinli Jiangmen Yeraltı Nötrino Gözlemevi (Juno) böyle bir arama için önceden belirlenmiş gibi görünüyor. Nötrinoların (aslında antineutrinos) özelliklerini belirlemeyi amaçlamaktadır, ancak nötrinolar madde ile son derece zayıf bir şekilde etkileşime girdiğinden, dedektörlerin çok büyük hacimleri olmalıdır.
Juno dedektörü durumunda, bu, küre çevresinde 17 binden fazla fotomulitiplici olan yaklaşık 40 metre olan küresel bir kapta, özel ilavelerle, özel ilavelerle yaygın olarak kullanılan 20.000 ton organik, sentetik yağ benzeri bir sıvı anlamına gelir. Juno’nun 2025’in ikinci yarısında ölçümlere başlaması planlanıyor.
Kağıt Fiziksel İnceleme Araştırması Meissner ve Nicolai tarafından, Varşova Üniversitesi Kimya Fakültesi’nden işbirlikçiler Adrianna Kruk ve Michal Lesiuk ile birlikte, gravitinoların neden olduğu olayların Juno’da üretebileceği ve gelecekte likit argon detektörlerinin birleşik eyaletlerde derin yeraltı nötro deneyleri (kumul) gibi ayrıntılı bir analizini sunar.
Makale sadece hem fizik hem de kimya tarafları üzerinde teorik arka planı değil, aynı zamanda yağ kabından geçen bir gravitino hızının ve izinin bir fonksiyonu olarak olası imzaların çok ayrıntılı bir simülasyonunu açıklamaktadır. Kuantum kimyası ve yoğun CPU zaman tüketen hesaplamalar hakkında ileri bilgi gerektiriyordu.
Simülasyonlar birçok olası geçmişi dikkate almak zorundaydı – radyoaktif 14C Yağ, kara sayım hızı ve fotomulitlerin verimliliği, fotonların yağda emilimi, vb.
Simülasyonlar, uygun yazılımla, bir gravitino’nun dedektörden geçişinin, şu anda bilinen parçacıklardan herhangi birinin geçişiyle yanlış tanımlanması imkansız bir sinyal bırakacağını göstermektedir.
Analiz, iki farklı araştırma alanını birleştirerek disiplinlerarası açısından yeni standartlar belirlemektedir: bir yandan teorik ve deneysel temel parçacık fiziği ve diğer yandan modern kuantum kimyasının çok gelişmiş yöntemleri.
Superheavy gravitinoların tespiti, birleşik bir yerçekimi ve parçacık teorisi arayışında ileriye doğru büyük bir adım olacaktır. Gravitinoların Planck kütlesinin sırasına göre kitlelere sahip olduğu tahmin edildiğinden, tespitleri Planck ölçeğine yakın fiziğin ilk doğrudan göstergesi olacaktır ve bu nedenle tüm doğa güçlerinin birleştirilmesi için değerli deneysel kanıtlar sağlayabilir.
