Ciemna materia od dziesięcioleci spędza sen z powiek fizykom. Wiemy, że istnieje – jej obecność zdradzają efekty grawitacyjne w galaktykach i gromadach galaktyk – ale nie potrafimy powiedzieć, z czego się składa. Kolejne generacje eksperymentów, od LUX po XENONnT, nie wykryły ani śladu popularnych kandydatów, takich jak WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki) czy aksjony. Dlatego rośnie potrzeba radykalnie nowych pomysłów.
Czytaj też: Fizyka kwantowa na nowo zdefiniowana. Naukowcy znaleźli sposób na ominięcie legendarnej bariery
Taką propozycję przedstawili kilka lat temu prof. Krzysztof Meissner z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i prof. Hermann Nicolai z Max Planck Institute for Gravitational Physics (Instytutu Alberta Einsteina) w Poczdamie. Ich model – rozwinięcie teorii supergrawitacji N=8, opisanej po raz pierwszy w latach 80. – wskazuje na istnienie superciężkich grawitin o masie zbliżonej do skali Plancka, czyli około miliard miliardów razy większej niż masa protonu. Co więcej, te hipotetyczne cząstki mają ładunek elektryczny ±2/3 i są stabilne – mogą więc przetrwać od początku Wszechświata do dziś, tworząc jego niewidzialny szkielet.
Grawitina w detektorze neutrin
Nowa publikacja w czasopiśmie Physical Review Research opisuje, w jaki sposób takie grawitina mogłyby zostać wykryte. W przeciwieństwie do większości modeli ciemnej materii, które zakładają cząstki neutralne elektrycznie, grawitina w teorii Meissnera i Nicolai mogą pozostawiać wyraźny sygnał w detektorach scyntylacyjnych, czyli urządzeniach rejestrujących błyski światła wywołane przez oddziaływanie cząstek z materiałem detektora.
Szczególnie obiecującym miejscem do poszukiwań jest chiński eksperyment JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) – jeden z największych detektorów neutrin na świecie. W jego wnętrzu znajduje się 20 tys. ton syntetycznego oleju, zamkniętego w sferycznym zbiorniku o średnicy 40 metrów. Wokół niego rozmieszczono ponad 17 tys. fotopowielaczy – czułych czujników światła – które rejestrują nawet pojedyncze fotony.
Symulacje przeprowadzone przez badaczy pokazują, że gdyby przez detektor JUNO przeszło superciężkie grawitino, zostawiłoby unikalny wzorzec sygnału optycznego. Nie dałoby się go pomylić z żadnym innym zdarzeniem – ani z rozpadami radioaktywnego węgla-14 w cieczy detektora, ani z “ciemnym szumem” fotopowielaczy, ani z typowymi sygnałami od neutrin.
Prof. Meissner podkreśla:
To zjawisko o bardzo charakterystycznym podpisie energetycznym. Jeśli takie zdarzenie się pojawi, będziemy wiedzieli, że mamy do czynienia z czymś absolutnie nowym.
Artykuł wyróżnia się nie tylko tematyką, ale i metodologią. To przykład rzadkiej interdyscyplinarności, w której fizyka cząstek spotyka się z chemią kwantową. Symulacje opracowane przez dr Adriannę Kruk i dr. Michała Lesiuka z Wydziału Chemii UW wymagały modelowania procesów wzbudzeń i absorpcji światła w scyntylatorze z dokładnością atomową. Uwzględniono w nich m.in. wpływ struktury molekularnej, absorpcję i reemisję fotonów oraz charakterystykę działania fotopowielaczy.
Takie połączenie pozwoliło stworzyć niezwykle realistyczny model, dzięki któremu można przewidzieć, jak hipotetyczne grawitino poruszałoby się przez detektor i jak wyglądałby jego sygnał w czasie. Obliczenia wymagały użycia ogromnej mocy obliczeniowej, typowej raczej dla badań nad złożonymi reakcjami chemicznymi niż dla fizyki teoretycznej.
Odkrycie superciężkich grawitin byłoby prawdziwym przełomem. Nie tylko wskazałoby nowy składnik ciemnej materii, ale też stanowiłoby pierwszy eksperymentalny ślad procesów na energii rzędu skali Plancka – czyli poziomie, na którym fizyka kwantowa i grawitacja muszą się ze sobą połączyć. To obszar, do którego nie mają dostępu żadne akceleratory, nawet Wielki Zderzacz Hadronów (LHC).
W praktyce oznaczałoby to wgląd w same fundamenty rzeczywistości – w to, jak łączą się oddziaływania kwantowe i grawitacyjne. Tego właśnie od dekad poszukuje fizyka teoretyczna: jednej spójnej “teorii wszystkiego”. Choć szansa na bezpośrednie wykrycie grawitin pozostaje niewielka – ich liczba w Układzie Słonecznym może wynosić zaledwie jedno na 10 000 km3 – przyszłe, jeszcze większe detektory, takie jak DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) w Stanach Zjednoczonych, mogą wreszcie otworzyć okno na tę nieznaną domenę.