Grawitina tworzą ciemną materię?

| Astronomia/fizyka
Europejskie Obserwatorium Południowe

Naukowcy od kilkudziesięciu lat uważają, że znaczną część wszechświata wypełnia ciemna materia. Nie potrafią jednak stwierdzić, z czego się ona składa. Are Raklev, profesor fizyki cząstek z Uniwersytetu w Oslo przedstawił interesującą teorię, która nie tylko może wyjaśnić skład ciemnej materii ale też podpowiedzieć, w jaki sposób ją wykryć.

Pomimo tego, że potrafimy obliczyć masę ciemnej materii, ciągle nie wiemy, czym ona jest. Jej cząsteczki powinny posiadać albo bardzo dużą masę, ale być bardzo liczne. Neutrino spełniają wszystkie warunki dla ciemnej materii. Z wyjątkiem jednego. W sumie mają zbyt małą masę - mów Raklev.

Uczony próbuje udowodnić, że ciemną materię stanowią grawitina. Grawitino to hipotetyczny supersymetryczny partner hipotetycznego grawitonu. Bardziej hipotetycznie już być nie może - śmieje się uczony.

Supersymetria zakłada istnienie symetrii pomiędzy oddziaływaniami a materią. Kwarki i elektrony mają, wedle zwlenników supersymetrii, swojego ciężkiego partnera. Cząstki te powstały natychmiast po Wielkim Wybuchu. To właśnie one mają tworzyć ciemną materię. I tutaj właśnie pojawia się grawitino. Grawiton, jak uważają niektórzy, przenosi oddziaływania grawitacyjne, tak jak foton przenosi oddziaływania elektromagnetyczne. Grawiton nie ma masy, ale ma ciężkiego supersymetrycznego partnera czyli grawitino. Jeśli zatem zwolennicy supersymetrii mają rację i natura jest supersymetryczna i grawiton istnieje, to istnieje również ciężkie grawitino. Problem jednak w tym, że nawet jeśli obie cząstki istnieją, to nie będzie można wykazać związku pomiędzy nimi bez istnienia Teorii Wszystkiego.

Jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki jest stworzenie teorii, która opisywałaby wszystkie siły w naturze.
Od kilkudziesięciu lat wiemy, że elektryczność i magnetyzm są częścią tej samej siły, nazwanej elektromagnetyzmem. Kolejne dwie siły to oddziływania słabe (przejawiające się np. w radioaktywności pierwiastków) i oddziaływania silne, które łączą protony i neutrony.

Model Standardowy łączy wszystkie wspomniane siły - elektromagnetyzm, oddziaływania silne i oddziaływania słabe. Do rozwiązania pozostaje jeszcze problem najsłabszej z sił, czyli grawitacji. Nie istnieje obecnie teoria, która pozwoliłaby połączyć ją z trzema pozostałymi siłami. Taka teoria, mimo że jeszcze nie istnieje, już zyskała sobie nazwę Teorii Wszystkiego. Aby ją stworzyć konieczne jest zrozumienie grawitacji z punktu widzenia mechaniki kwantowej. To z kolei wymaga teorii, w której grawiton byłby częścią jądra atomowego.

Badanie ciemnej materii jest bardzo trudne, gdyż nie oddziałuje ona elektromagnetycznie ze spotykanymi na Ziemi cząstkami. Gdy nie ma oddziaływania elektromagnetycznego z widzialnymi cząstkami, to ciemna materia może np. przechodzić przez nasze ciała, a my nie mamy instrumentów, które będą w stanie ją zarejestrować. Tu właśnie pojawia się supersymetria. Jeśli teoria ta jest prawdziwa, fizycy mogą wyjaśnić istnienie ciemnej materii - mówi Raklev. Jego zdaniem zasadniczą część ciemnej materii stanową grawitina. Supersymentria wszystko upraszcza. Jeśli Teoria Wszystkiego istnieje, a zatem jeśli możliwe jest zunifikowanie czterech sił natury, grawitina muszą istnieć - dodaje.

Jego zdaniem grawitina powstały wkrótce po Wielkim Wybuchu. W istniejącej wówczas plazmie kwarkowo-gluonowej dochodziło do zderzeń gluonów, w wyniku których powstawały grawitina. Mamy więc wyjaśnienie, dlaczego one istnieją - stwierdza fizyk. I rozwiewa przy okazji wątpliwości wielu swoich kolegów po fachu, którzy twierdzili, że teoria supersymetrii jest nieprawdziwa, gdyż zakłada istnienie zbyt wielu grawitin.

Fizycy starali się dotychczas wyeliminować grawitina ze swoich modeli. My znaleźliśmy wyjaśnienie, które łączy supersymetrię i ciemną materią złożoną z grawitin. Uważamy, że jeśli ciemna materia nie jest stabilna, a ma po prostu bardzo długi okres życia, to można stwierdzić, że jest ona zbudowana z grawitin - mówi Raklev.

W dotychczasowych teoriach zakładano, że ciemna materia jest wieczna, a to powodowało, że grawitina tylko przeszkadzały w teorii supersymetrii. W teorii Rakleva ciemna materia nie jest wieczna. Składa się z grawitin, których czas istnienia jest niezwykle długi, dłuższy niż czas istnienia wszechświata, ale nie wieczny. Jeśli zatem Raklev ma rację, to w pewnym momencie grawitino musi zmienić się w inną cząsteczkę. I można zarejestrować wynik tej zmiany. Uważamy, że niemal cała ciemna materia składa się z grawitin. Można to udowodnić za pomocą niezwykle skomplikowanych obliczeń matematycznych. Pracujemy nad modelami, które pozwolą przewidzieć konsekwencje naszych teorii i podpowiedzą, w jaki sposób możemy eksperymentalnie udowodnić istnienie tych cząsteczek - informuje naukowiec.

Najprostszym sposobem na obserwowanie cząsteczek jest rejestrowanie ich zderzeń, w wyniku których powstają np. fotony czy antymateria. Problem jednak w tym, że grawitina nie zderzają się ze sobą lub dochodzi do tego niezwykle rzadko. Na szczęście dla nas grawitina nie są całkowicie stabilne. W pewnym momencie zmieniają się w coś innego. Możemy przewidzieć, jak powinien wyglądać sygnał wskazujący na przemianę grawitina. Podczas przemiany dochodzi do emisji fali elektromagnetycznej. Nazywanej promieniowaniem gamma - stwierdza fizyk. Przypomina, że sonda Fermi-LAT mierzy obecnie probmieniowanie gamma, a wiele grup naukowców zajmuje się analizą wyników.

Jak dotąd obserwujemy jedynie szum. Ale jedna z grup badawczych poinformowała o zaobserwowaniu niewielkiego podejrzanego nadmiaru sygnałów gamma pochodzących z centrum naszej galaktyki. Te sygnały mogą pasować do naszej teorii - mówi profesor Raklev.

Autor:

Źródło: Apollon, Universitetet i Oslo

ciemna materia grawitino grawiton Teoria Wszystkiego supersymetria