Гравитино

Уже более восьмидесяти лет люди знают о темной материи, сущности, которая ответственная за больше количество притягивающей матери во Вселенной, чем мы видим. Это связано с тем, что частицы-носители темной материи не участвуют в электромагнитном взаимодействии, а значит, их нельзя увидеть. Это и усложняет задачу определения того, что это за частицы, и заставляет придумывать все новые теории, каждая из которых не может быть окончательно подтверждена или опровергнута, ведь как ни крути, а частицу эту увидеть нельзя. Можно лишь судить о ней по косвенным эффектам.

«Мы ищем нового представителя нашего семейства элементарных частиц, и понятно, что это должен быть очень экзотический товарищ, – говорит Аре Раклев, сотрудник факультета общей физики Университета Осло. – Хотя мы можем подсчитать, сколько темной материи существует во Вселенной, мы до сих пор почти ничего не знаем о том, что это такое. Частицы темной материи должны быть либо очень тяжелыми, либо их должно быть очень много. Нейтрино, например, удовлетворяют всем критериям кандидата на роль частицы темной материи, кроме одного – они имеют очень небольшую массу».

Поэтому, чтобы объяснить движение звезд, галактик и их скоплений, самых крупных структур во Вселенной, нужна другая частица. Раклев предлагает обратиться к изучению гравитино, суперсимметричных партнеров гравитонов. Выходя далеко за границы стандартной модели, эта теория не получила большого распространения. «Гравитино – гипотетический суперсимметричный партнер гипотетической частицы гравитон, так что вряд ли можно предложить более гипотетическую частицу», – признает Раклев.

Суперсимметрия означает эквивалентность материи и поля, взаимодействия. За счет преобразования суперсимметрии поле может быть переведено в материю и наоборот. Для каждого типа кварка и электрона существует тяжелый, суперсимметричный партнер. Эти суперсимметричные частицы были созданы сразу после Большого взрыва, но затем превратились в материю. Но если какая-то группа этих частиц существует до сих пор, на нее может приходится ответственность за создание темной материи – фактически, гравитационного поля. Такую частицу и назвали гравитино, это суперсимметричный партнер гравитона.

«Гравитон – частица, которая, по нашим представлениям, должна быть носителем гравитационного поля – так же, как фотон является носителем электромагнитного поля, излучения. При этом хотя гравитоны не должны иметь никакой массы, гравитино могут оказаться очень тяжелыми. И если гравитоны существуют, а принцип суперсимметрии верен, то существуют и гравитино. И наоборот», – говорит Раклев. Но здесь возникает одна проблема. Связь между гравитоном и гравитино не может быть найдена, пока все фундаментальные взаимодействия не объединены в одно.

Эта задача – одна из центральных в современной физике. В середине прошлого века было показано, что электричество и магнетизм – два проявления одной силы. Затем электромагнетизм был объединен с сильным и слабым взаимодействиями в рамках стандартной модели. Но самая слабая сила – гравитация – ускользает от объединения. Для этого необходимо получить теорию квантовой гравитации, понять, как она действует на мельчайших масштабах. Эта математическая задача, однако, остается неразрешенной.

Нейтрино, хотя и не является носителем темной материи, показывает, насколько сложно ее исследовать (заметим, что поскольку у нейтрино есть незначительная масса, они тоже вносят свой вклад в темную материю). Несколько миллиардов нейтрино проходят сквозь человеческое тело каждую секунду. Их скорость примерно такая же, у нашей Солнечной системе в галактике – 400 км/с. Мы, однако, их не замечаем, и для фиксирования прохождения нейтрино через нашу планету построены специальные подземные обсерватории.

«Когда нет электромагнитного взаимодействия с видимыми частицами, такие частицы могут проходить прямо через нас, и никакой инструмент не скажет нам об этом. Поэтому нам приходит на помощь теоретическая наука – теория суперсимметрии. Если она верна, никаких проблем с описанием темной материи не будет, – утверждает Раклев. – Суперсимметрия все упрощает. В первую очередь, если существует общее фундаментальное взаимодействие, то существует и гравитино. Эти частицы появились сразу после Большого взрыва. Когда родилась Вселенная, она представляла собой мешанину сталкивающихся частиц. Глюоны, носители сильного взаимодействия, сталкивались друг с другом, рождая гравитино. Таким образом, все существующие гравитино образовались после рождения Вселенной, и поэтому они существуют до сих пор, не рождаются».

Такое предположение, правда, создает проблему теории суперсимметрии. Оказывается, что существует слишком много гравитино, если они стоят за темной материей. Однако эта проблема разрешается, если отойти от предположения, что темная материя вечна. «М нашли объяснение, которое позволяет включить гравитино в теорию суперсимметрии.. Если темная материя не вечна, но существует очень долго, то она может состоять из гравитино», – говорит Раклев. Среднее время жизни одного гравитино, правда, при этом оказывается больше, чем возраст Вселенной – но не бесконечен. В таком подходе кроется не только согласие с теорией, но и выход на эксперимент. Если гравитино имеют конечное время жизни, она распадаются на другие частицы, а их уже можно будет увидеть.

Но и здесь кроется проблема. Темная материя очень хорошо скрывается от исследования. Теоретически, космический аппарат с нужным оборудованием смог бы зафиксировать столкновение двух гравитино и частицы, которые при этом образовались. Вот только гравитино либо вообще не сталкиваются, либо это происходит очень редко, даже с учетом их огромного количества во Вселенной. Возможность может представиться только при изучения излучения областей, в которых очень много темной материи, хотя нельзя утверждать, что сигнал от распада гравитино будет больше, чем шум наблюдений.