Земля может оказаться лучшим детектором тёмной материи

Физики предложили интригующую гипотезу, объясняющую, почему действующие детекторы тёмной материи её до сих пор не обнаружили и где искать её следы. Речь идёт о новой гипотетической частице – сверхтяжёлом гравитино.

Подробности описаны в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review D Кшиштофом Мейсснером (Krzysztof Meissner) из Варшавского университета и Германом Николаем (Hermann Nicolai) из Института гравитационной физики Общества Макса Планка.

Для астрономов существование тёмной материи, проявляющей себя своей гравитацией, – факт, доказанный многочисленными и разнообразными наблюдениями. При этом большинство специалистов считает, что большая часть этого вещества не может состоять из привычных частиц (протонов, нейтронов и электронов). Согласно господствующим теориям, после Большого взрыва просто не могло образоваться так много этих частиц (тёмной материи во Вселенной в несколько раз больше, чем видимой).

Однако на эту роль претендует целый зоопарк гипотетических частиц, чьё существование независимо от открытия тёмной материи было предсказано теоретиками. Это, например, вимпы и аксионы. Но работа больших и дорогих детекторов, предназначенных для их прямого обнаружения, пока не дала результатов.

Разумеется, действующие установки пока "прочесали" далеко не весь диапазон свойств, которыми могут обладать вимпы или аксионы, так что эти гипотезы рано считать опровергнутыми. С другой стороны, некоторых экспертов неудачи экспериментов наводят на мысль, что тёмная материя может состоять совершенно из других частиц. И в связи с этим гипотеза о сверхтяжёлом гравитино становится особенно интересной.

Любопытно, что, выдвигая её, авторы думали не о тёмной материи, а о совсем других проблемах. Напомним, что на сегодняшней день самой успешной и экспериментально проверенной является Стандартная модель физики элементарных частиц. Теоретики предложили разнообразные дополнения и расширения этой конструкции, включающие труднообнаружимые новые частицы, в частности, суперпартнёров. Много надежд в связи с этим возлагалось на Большой адронный коллайдер. Однако частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, так и не были открыты за всё время работы этого масштабного ускорителя.

Мейсснер и Николай предложили теорию, объясняющую этот удручающий многих физиков факт.

"Наша гипотеза фактически не даёт никаких дополнительных частиц обычной материи, которые затем нужно было бы отсеять, потому что они не обнаруживаются в экспериментах на ускорителях", – говорит Николай.

В новой модели в качестве побочного следствия и возникла концепция сверхтяжёлого гравитино. Эта гипотетическая частица резко отличается от других кандидатов на роль тёмной материи. Во-первых, у неё невиданная для элементарных частиц масса. Она примерно равна так называемой планковской массе, играющей важную роль в теоретической физике и составляющей порядка стотысячной доли грамма. Эта величина сравнима с массой обычной пылинки и непомерно велика по меркам частиц. Так, масса протона меньше её в 10¹⁹ (десять миллионов триллионов) раз.

Во-вторых, сверхтяжёлое гравитино имеет электрический заряд, а также участвует в сильном взаимодействии. Это тоже резко отличает его как от вимпов, так и от аксионов, а также от не менее гипотетических лёгких гравитино.

По расчётам авторов, чтобы объяснить наблюдаемую концентрацию тёмной материи, достаточно одного сверхтяжёлого гравитино на 10 тысяч кубических километров пространства. Такая редкость, по мысли физиков, и привела к тому, что эту частицу ещё не открыли.

Как же в таком случае её найти? В качестве своеобразного детектора авторы предлагают использовать… земной шар.

По расчётам исследователей, сверхтяжёлые гравитино благодаря своей огромной массе должны пронизать земной шар, как пушечное ядро тучу комаров. При этом в кристаллах земных пород останутся длинные прямые следы (треки), которые можно отличить от следов других частиц. Хотя встречи с такими "тяжеловесами" должны быть чрезвычайно редкими, образцы пород возрастом в миллионы и миллиарды лет могут хранить память о них.

"Ионизирующее излучение, как известно, порождает дефекты решётки в кристаллических структурах. Может оказаться возможным обнаружить остатки таких ионизационных треков в кристаллах, которые остаются стабильными в течение миллионов лет", – предполагает Николай.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как использовать для поиска тёмной материи детекторы гравитационных волн. Также мы рассказывали, что частицы этой загадочной субстанции могут оказаться не слишком тяжёлыми для действующих детекторов, а наоборот, слишком лёгкими. Говорили мы и о планах использовать звёзды в качестве спидометров для тёмного вещества.