Нова теория за тъмната материя: Може ли хипотетичното гравитино да е заредено и свръхмасивно?

Знаем, че Вселената е изпълнена с нещо невидимо. Това „нещо“ – тъмната материя – се издава само чрез гравитацията, като предпазва галактиките от разпадане. От десетилетия физиците търсят тези частици, като изграждат все по-чувствителни детектори дълбоко под земята. Основният кандидат е WIMP – хипотетична частица, която би трябвало от време на време да се сблъсква с атомните ядра. Но с годините детекторите продължават да са безмълвни.

Мълчанието поражда един неудобен въпрос. Ами ако търсим нещо погрешно?

Неотдавна група теоретични физици и химици предложиха идея, която звучи почти еретично. Те предположиха, че тъмната материя може да се състои от частици, които, противно на представените досега хипотези, активно взаимодействат с нашия свят. Тоест частици, които имат електрически заряд.

Е, каква е тогава „тъмната“ материя, ако тя ще бъде лесно видима чрез ясна ярка следа върху детектора, а ние все още не сме видели нищо? Отговорът е прост: защото тези частици са невероятно малки. И се движат много бавно.

Гравитино: свръхмасивно и със заряд

Тази хипотетична частица се нарича гравитино. Нейното съществуване се предсказва от една от теориите, опитващи се да обединят всички известни сили и частици – така наречената N=8 супергравитация. Според изчисленията това гравитино има три свойства.

• То е свръхмасивно. Масата му се доближава до масата на Планк – фундаменталната граница, при която законите на квантовата механика и гравитацията се сливат. Това е около 10¹⁸ гигаелектронволта – един квадрилион пъти по-тежко от протона.
• То е заредено. За разлика от повечето кандидати за тъмна материя, гравитиното носи стандартен електрически заряд като електрона или протона.
• То е изключително рядко. Поради огромната му маса плътността на тези частици във Вселената е пренебрежимо малка. Изчислено е, че само шепа от тях преминават през площ от един квадратен метър годишно.

По принцип тази комбинация от огромна маса и изключителна рядкост обяснява защо все още не сме ги забелязали. Това не е тъмната материя, която взаимодейства слабо. Това е материя, която взаимодейства силно, но се появява толкова рядко, че е лесно да бъде пропусната.

Как да проверим тази хипотеза?

Механизмът за откриване: луминесценцията

та Традиционните детектори на тъмна материя очакват хипотетичната частица да удари ядрото на атом в детектора и да предизвика малка светкавица. Свръхмасивното и бавно гравитино не работи по този начин. То няма достатъчно енергия, за да раздвижи тежкото ядро.

Вместо това то действа по друг начин – чрез електрическото си поле.

Следователно, когато хипотетичното гравитино прелита през материята, електрическото му поле въздейства върху електроните в околните молекули. Този ефект е достатъчен, за да възбуди електрона – да го издигне на по-високо енергийно ниво. След миг електронът се връща на мястото си, излъчвайки фотон – частица светлина.

Преминавайки през детектора, едно гравитино ще възбужда една след друга молекулите, оставяйки след себе си непрекъсната следа от фотони. Слабо, но постоянно сияние.

И най-хубавото от всичко е, че вече имаме детектор, който може да улови това сияние.

JUNO вече не е само обсерватория за неутрино.

В Южен Китай, на дълбочина 700 метра под гранитна планина, преди месец, на 26-ти август 2025 г., приключи изграждането на гигантския детектор за неутрино JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory). Той представлява огромна сфера с диаметър 35,5 метра, изпълнена с двадесет хиляди тона течен сцинтилатор. Сцинтилаторът е вещество, което свети, когато през него преминават заредени частици.

Първоначално JUNO е създаден за изследване на неутриното, но дизайнът му го превръща в идеален капан за гравитино. Ето защо:

• Самият размер увеличава шанса някоя от редките частици все пак да прелети през работната зона.
• Основният компонент на сцинтилатора – линейният алкилбензен е идеален за откриване на бавни частици (LAB). Молекулите му лесно се възбуждат дори от малко количество енергия.

За да предскажат какво ще види JUNO, авторите на изследването комбинират две далечни области на науката: физиката на елементарните частици и квантовата химия. Те извършиха сложни изчисления, за да определят вероятността за възбуждане на молекулата на LAB от преминаващо гравитино. Резултатите са поразителни.

Линията е бавна, права и непрекъсната

Сигналът от гравитино не би приличал на нищо друго. Нормалните събития в детектора – като например регистрацията на неутрино – са кратки, почти мигновени проблясъци на светлина с продължителност около 100 наносекунди.

Следата от гравитино би била много различна.

Тя няма да е проблясък, а линия – бавна, права и непрекъсната.

Частицата ще пресича 35-метровия детектор в продължение на десетки или дори стотици микросекунди – хиляди пъти по-дълго от всяко фоново събитие. Движейки се с постоянна скорост по права линия, тя ще остави след себе си светлинна следа. Хилядите фотоумножители по стените на JUNO ще уловят тази светлинна линия, което ще ни позволи да реконструираме траекторията на частицата с висока точност.

Изследователите са моделирали два сценария:

• Бавно гравитино, движещо се със скоростта на Земята (~30 км/сек). Сигналът ще бъде слаб, но все пак ясно видим на фона на шума.
• Бързо гравитино, движещо се със скоростта на въртене на галактиката (~230 км/сек). В този случай сигналът ще бъде мощен и ще е невъзможно да се обърка с каквото и да било.

Моделирането показа, че дори в най-неблагоприятния случай – бавна частица, летяща по ръба на детектора, сигналът ще бъде абсолютно уникален и статистически неопровержим.

Кога можем да очакваме резултати?

Детекторът JUNO вече е започнал да събира данни. Научната му програма ще продължи десетилетия. И макар че основната му цел е неутриното, физиците вече имат друга причина да следят внимателно неговите показания.

Ако тази хипотеза е вярна, откриването на свръхмасивното заредено гравитино ще бъде един от най-сериозните пробиви в съвременната физика, който най-накрая ще реши въпроса за тъмната материя и ще ни приближи до Теорията на всичко.