Гравитино: новый кандидат на роль темной материи

Тёмная материя остаётся одной из главных загадок современной физики. За сорок лет поисков — от аксионов до WIMP — убедительных следов новых частиц так и не появилось. На этом фоне учёные из Варшавского университета и Института гравитационной физики Макса Планка (AEI) предложили неожиданный сценарий: тёмную материю могут составлять сверхтяжёлые заряжённые гравитино — частицы со спином 3/2, возникшие в теориях, объединяющих физику частиц и гравитацию. В новой работе, опубликованной в Physical Review Research, исследователи показывают, что подземные нейтринные детекторы — прежде всего китайский JUNO, который вскоре начнёт набор данных, — подходят для их поиска не хуже специализированных установок, а характер сигнала должен быть однозначно распознаваемым.

Идея уходит корнями в старую математически «симметричную» конструкцию — N=8 супергравитацию. Ещё в 1981 году нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн заметил, что набор частиц Стандартной модели удивительным образом помещается в её структуру. Прямая «склейка» тогда не сложилась: электрические заряды кварков и лептонов в этой схеме смещались на ±1/6. Несколько лет назад Кшиштоф Мейсснер (Варшавский университет) и Херман Николаи (AEI) предложили модификацию с так называемой бесконечной симметрией K(E10), которая устраняет расхождение и даёт правильные заряды известных частиц. При этом теория предсказывает восемь гравитино планковской массы — примерно в 10^18 раз тяжелее протона; шесть из них имеют заряд ±1/3, а два — ±2/3.

Несмотря на электрический заряд, такие частицы остаются «тёмными» в наблюдательном смысле. Их колоссальная масса делает гравитино чрезвычайно редкими — по оценкам, в пределах Солнечной системы может приходиться всего одна частица на каждые десять тысяч кубических километров пространства, — поэтому они не дают заметного электромагнитного излучения и не нарушают жёсткие ограничения на заряд компонентов тёмной материи. Более того, распадаться им попросту не во что: в рамках предложенной схемы нет более лёгких частиц с подходящими квантовыми числами. Мейсснер и Николаи выдвинули гипотезу, что именно две наиболее редкие и тяжёлые разновидности с зарядом ±2/3 могут составлять тёмную материю.

Ключ к проверке гипотезы — не космические телескопы, а огромные нейтринные детекторы на базе сцинтилляторов и жидкого аргона. Ещё в 2024 году учёные показали, что такие установки в принципе чувствительны к следу заряжённого гравитино. В свежей работе к ним присоединились химики Адрианна Крук и Михал Лесюк (Варшавский университет), и команда провела детальные симуляции сигнала в детекторе JUNO, а также в будущих аргоновых установках вроде американского эксперимента DUNE. JUNO — это около 20 тысяч тонн органической светящейся жидкости в сферическом резервуаре диаметром порядка 40 метров, окружённом более чем 17 тысячами фотомножителей; старт измерений запланирован на вторую половину 2025 года.

Моделирование потребовало объединить физику элементарных частиц с продвинутыми методами квантовой химии: нужно учесть, как движущаяся через среду сверхтяжёлая заряжённая частица возбуждает молекулы сцинтиллятора, как фотонный сигнал распространяется и регистрируется. Отдельно проанализированы фоны, способные имитировать событие: распады естественного углерода-14 в жидкости, «тёмные» срабатывания и эффективность фотомножителей, поглощение и рассеяние фотонов в среде. По расчётам, у проходящего гравитино будет характерная комбинация трека, временной структуры и интенсивности свечения, которую невозможно перепутать с известными частицами.

Если такой сигнал удастся зафиксировать, это станет прорывом не только в космологии. Обнаружение сверхтяжёлых гравитино стало бы первой лабораторной подсказкой о физике на планковских энергиях и сильным аргументом в пользу единой картины, связывающей гравитацию со Стандартной моделью. А нейтринные обсерватории, созданные для другой задачи, неожиданно получат шанс ответить на один из самых острых вопросов о составе Вселенной.