Nästan en fjärdedel av universum står bokstavligen i skuggorna. Enligt kosmologers teorier, 25,8% av det består av mörk materia, vars närvaro signaleras i huvudsak endast av dess dragkraft. Vad detta ämne består av förblir ett mysterium. Hermann Nicolai, Direktör vid Max Planck Institute for Gravitational Physics i Potsdam, och hans kollega Krzysztof Meissner från universitetet i Warszawa har nu föreslagit en ny kandidat - en supertung gravitino. Förekomsten av denna fortfarande hypotetiska partikel följer av en hypotes som försöker förklara hur det observerade spektrumet av kvarker och leptoner i standardmodellen för partikelfysik kan komma från en grundläggande teori. Dessutom, forskarna beskriver en möjlig metod för att faktiskt spåra upp denna partikel.

Standardmodellen för partikelfysik omfattar materiens byggstenar och krafterna som håller ihop dem. Det står att det finns sex olika kvarkar och sex leptoner som är grupperade i tre "familjer". Dock, frågan omkring oss och vi själva består i slutändan av endast tre partiklar från den första familjen:upp och ner -kvarkerna och elektronen, som är medlem i leptonfamiljen.

Tills nu, denna sedan länge etablerade standardmodell har varit oförändrad. Large Hadron Collider (LHC) vid CERN i Genève togs i bruk för cirka tio år sedan med det huvudsakliga syftet att utforska vad som kan ligga bakom. Dock, efter tio år med att ta data, forskare har inte lyckats upptäcka några nya elementära partiklar, bortsett från Higgs boson, trots stora förväntningar på motsatsen. Med andra ord, tills nu, mätningar med LHC har inte gett några tips om "ny fysik" utöver standardmodellen. Dessa fynd står i stark kontrast till många föreslagna förlängningar av denna modell som tyder på ett stort antal nya partiklar.

I en tidigare artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev , Hermann Nicolai och Krzysztof Meissner har presenterat en ny hypotes som försöker förklara varför endast de redan kända elementära partiklarna förekommer som grundläggande byggstenar i materia i naturen - och varför, tvärtemot vad man tidigare trodde, inga nya partiklar kan förväntas inom energiområdet som är tillgängligt för nuvarande eller tänkbara framtida experiment.

Dessutom, de två forskarna postulerar förekomsten av supermassiva gravitinos, vilket kan vara mycket ovanliga kandidater för mörk materia. I en andra publikation, som nyligen dök upp i tidningen Fysisk granskning D , de lade också fram ett förslag på hur man spårar dessa gravitinos.

I deras arbete, Nicolai och Meissner tar upp en gammal idé från nobelprisvinnaren Murray Gell-Mann som bygger på teorin "N =8 Supergravity". Ett nyckelelement i deras förslag är en ny typ av oändligt dimensionell symmetri som är avsedd att förklara det observerade spektrumet av de kända kvarkerna och leptonerna i tre familjer. "Vår hypotes producerar faktiskt inga ytterligare partiklar för vanlig materia som då skulle behöva argumenteras bort eftersom de inte dyker upp i acceleratorförsök, "säger Hermann Nicolai." Däremot, vår hypotes kan i princip förklara exakt vad vi ser, i synnerhet replikering av kvarker och leptoner i tre familjer. "

Dock, processer i kosmos kan inte förklaras helt av den vanliga materia som vi redan är medvetna om. Ett tecken på detta är galaxer:de roterar med hög hastighet, och den synliga materien i universum - som bara står för cirka 5% av materien i universum - skulle inte vara tillräckligt för att hålla ihop dem. Än så länge, dock, ingen vet vad resten består av, trots många förslag. Den mörka materiens natur är därför en av de viktigaste obesvarade frågorna i kosmologin.

"Den vanliga förväntningen är att mörk materia består av en elementär partikel, och att det inte har varit möjligt att upptäcka denna partikel ännu eftersom den interagerar med vanlig materia nästan uteslutande av gravitationskraften, "säger Hermann Nicolai. Modellen som utvecklats i samarbete med Krzysztof Meissner erbjuder en ny kandidat för en sådan partikel av mörk materia, om än en med helt andra egenskaper än alla kandidater som diskuterats hittills, t.ex. axioner eller WIMP. De senare interagerar bara mycket svagt med känd materia. Detsamma gäller för de mycket lätta gravitinos som upprepade gånger har föreslagits som kandidater för mörk materia i samband med supersymmetri med låg energi. Dock, detta förslag går i en helt annan riktning, genom att det inte längre tilldelar supersymmetri en huvudroll, även om schemat härstammar från maximal N =8 övervikt. "Särskilt, vårt schema förutspår förekomsten av supertunga gravitinos, som - till skillnad från de vanliga kandidaterna och till skillnad från de tidigare betraktade lätta gravitinoerna - också skulle interagera starkt och elektromagnetiskt med vanligt material, säger Hermann Nicolai.

Deras stora massa innebär att dessa partiklar endast kan förekomma i mycket utspädd form i universum; annat, de skulle "överstänga" universum och därmed leda till dess tidiga kollaps. Enligt Max Planck -forskaren, man skulle faktiskt inte behöva särskilt många av dem för att förklara innehållet i mörk materia i universum och i vår galax - en partikel per 10, 000 kubik kilometer skulle räcka. Massan av partikeln postulerad av Nicolai och Meissner ligger i Planck -massans område - det vill säga cirka hundra miljoner av ett kilo. I jämförelse, protoner och neutroner - byggstenarna i atomkärnan - är cirka tio quintillion (tio miljoner biljoner) gånger lättare. I intergalaktiskt utrymme, tätheten skulle vara ännu mycket lägre.

"Stabiliteten hos dessa tunga gravitinos beror på deras ovanliga kvantnummer (laddningar), "säger Nicolai." Specifikt, det finns helt enkelt inga slutliga tillstånd med motsvarande laddningar i standardmodellen som dessa gravitinos kan förfalla i - annars, de skulle ha försvunnit strax efter Big Bang. "

Deras starka och elektromagnetiska interaktioner med känd materia kan göra dessa partiklar av mörk materia lättare att spåra trots deras extrema sällsynthet. En möjlighet är att söka efter dem med dedikerade flygmätningar djupt under jorden, eftersom dessa partiklar rör sig mycket långsammare än ljusets hastighet, till skillnad från vanliga elementära partiklar som härrör från kosmisk strålning. Ändå, de skulle tränga in i jorden utan ansträngning på grund av deras stora massa - som en kanonkula som inte kan stoppas av en myggvärm.

Detta faktum ger forskarna idén att använda vår planet själv som en "paleo-detektor":Jorden har kretsat genom det interplanetära rymden i cirka 4,5 miljarder år, under vilken tid den måste ha penetrerats av många av dessa massiva gravitinos. I processen, partiklarna borde ha lämnat länge, raka joniseringsspår i berget, men det är kanske inte lätt att skilja dem från spår orsakade av kända partiklar. "Joniserande strålning är känd för att orsaka gitterdefekter i kristallstrukturer. Det kan vara möjligt att upptäcka reliker av sådana joniseringsspår i kristaller som förblir stabila under miljoner år, "säger Hermann Nicolai. På grund av dess långa" exponeringstid "kan en sådan sökstrategi också vara framgångsrik om mörk materia inte är homogent fördelat inuti galaxer utan utsätts för lokala densitetsfluktuationer - vilket också kan förklara misslyckandet i sökningar efter mer konventionellt mörkt sakkandidater hittills.