Ciemnej materii jest we Wszechświecie niemal sześć razy więcej niż "zwykłej", tworzącej nasz codzienny świat. To tajemniczy składnik kosmosu – do dziś nie wykryto nawet jednej jego cząstki elementarnej. Dobrym kandydatem na takie cząstki są neutralina, przewidywane przez wychodzące poza obecną fizykę supersymetryczne teorie budowy materii.
Grupa teoretyków z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku, prowadzona przez prof. dr. hab. Leszka Roszkowskiego, zaprezentowała nowe oszacowania dotyczące własności neutralin jako ciemnej materii. Wynika z nich, że właśnie budowany, a być może nawet obecnie działające detektory powinny w najbliższych dwóch latach ostatecznie potwierdzić istnienie tego rodzaju neutralin – lub je wykluczyć.
Wyniki teoretyków ze Świerka omawiano podczas konferencji COSMO-15, która tym tygodniu przyciągnęła do Warszawy prawie ćwierć tysiąca fizyków cząstek, astrofizyków i kosmologów z całego świata.
Obecność ciemnej materii jest dziś postulowana m.in. na podstawie analizy ruchów gwiazd w galaktykach i galaktyk w gromadach galaktyk. Obiekty te poruszają się z prędkościami większymi od oczekiwanych, a więc pod wpływem silniejszych pól grawitacyjnych niż wynikające z obecności w ich pobliżu dużych, widzialnych mas, takich jak galaktyczne jądra czy sąsiednie galaktyki. Przypuszcza się, że ów dodatkowy wkład do grawitacji to efekt istnienia nowej formy materii, trudnej w detekcji, bo praktycznie nieoddziałującej z promieniowaniem elektromagnetycznym.
Mimo wielu lat badań wciąż nie wiadomo, jakie cząstki tworzą ciemną materię. Jeszcze niedawno przypuszczano, że może się ona składać z neutrin. - Z czasem okazało się, że nawet gdyby neutrina oddziaływały grawitacyjnie, nie byłyby w stanie utworzyć obserwowanych skupisk ciemnej materii. Zatem to nie one są ciemną materią. Obecnie zbliżamy się do etapu, gdy będziemy mogli wiarygodnie potwierdzić lub zanegować istnienie kolejnej grupy cząstek-kandydatów – mówi prof. Roszkowski (NCBJ). Obiecującymi kandydatami na ciemną materię są też hipotetyczne, słabo oddziałujące masywne cząstki, znane pod ogólną nazwą WIMP (Weakly Interacting Massive Particles).
Kilku najbardziej „podejrzanych” wyłania się również z teorii supersymetrycznych. Przewidują one, że każdy rodzaj cząstek elementarnych w opisującym budowę materii Modelu Standardowym ma swojego bardziej masywnego, supersymetrycznego partnera. Supercząstki o bardzo dużych masach mogą być nietrwałe i rozpadać się na mniej masywne supercząstki, jednak najmniej masywna supercząstka powinna być stabilna.
W teoriach, w których taka supercząstka w niewielkim stopniu oddziałuje ze zwykłą materią, staje się ona dobrym kandydatem na ciemną materię i jest znana jako neutralino. Opis supersymetryczny można rozszerzyć na inne przypadki, wyłaniając kolejnych kandydatów na ciemną materię. W supersymetrycznych teoriach uwzględniających grawitację pojawia się grawitino, czyli superpartner grawitonu, hipotetycznej cząstki przenoszącej oddziaływania grawitacyjne. Z kolei supersymetrycznym odpowiednikiem aksjonu byłoby aksino.
- Neutralino, aksino i grawitino są znakomitymi możliwymi rozwiązaniami zagadki ciemnej materii. W tej grupie neutralino jest jednak dość wyjątkowe. Analizy naszej grupy badawczej sugerują bowiem, że jeśli neutralino naprawdę istnieje, powinniśmy móc je zaobserwować za pomocą właśnie oddawanych do użytku nowych detektorów – tłumaczy prof. Roszkowski.
Neutralino o masie ok. tysiąca mas protonu oznacza, że cząstki supersymetryczne są prawdopodobnie zbyt masywne, by można je było wyprodukować w akceleratorze LHC. Jednocześnie cały zakres możliwych mas i oddziaływań samego neutralina niemal w całości leży w zasięgu poszukiwań właśnie uruchamianego detektora tzw. jednotonowego XENON1T w laboratorium w Gran Sasso niedaleko Rzymu.
- Wkrótce się przekonamy, czy neutralino o masie ok. 1000 mas protonów było jedynie zgrabną hipotezą, czy też jest częścią fizycznej rzeczywistości – mówi się prof. Roszkowski.
(ew/NCBJ)
