Zamiast koncentrować się na tradycyjnych kandydatach, takich jak aksjony czy cząstki WIMP, badacze z Uniwersytetu Warszawskiego skierowali swoją uwagę na grawitino – hipotetyczne superciężkie cząstki o masie zbliżonej do skali Plancka. To radykalna zmiana perspektywy, która może otworzyć nowe możliwości w trwających od czterech dekad poszukiwaniach.
Grawitino. Nieoczywisty kandydat na ciemną materię
Co czyni grawitino szczególnie interesującymi? Przede wszystkim ich ekstremalne właściwości. Teoria N=8 supergrawitacji zaproponowana przez Murraya Gell-Manna w 1981 roku w naturalny sposób wyjaśnia liczbę kwarków i leptonów występujących w Modelu Standardowym. Krzysztof Meissner z Uniwersytetu Warszawskiego oraz Hermann Nicolai z Instytutu Maxa Plancka zmodyfikowali tę koncepcję, uzyskując poprawne ładunki elektryczne cząstek.
Czytaj także: We wszechświecie ukrywała się nieznana sieć. Naukowcy właśnie ją zidentyfikowali
Ich model przewiduje istnienie grawitin o masie od 10^14 do 10^19 GeV/c², co odpowiada miliardom miliardów mas protonów. Choć posiadają one ładunek elektryczny, mogą stanowić ciemną materię dzięki swojej niezwykłej rzadkości. W całym Układzie Słonecznym może znajdować się zaledwie jedno grawitino na 10 000 kilometrów sześciennych przestrzeni.
Dlaczego naładowane cząstki mogą być niewidoczne
Zasadniczo cząstki naładowane elektrycznie nie nadają się na kandydatów do ciemnej materii, ponieważ oddziałują z promieniowaniem elektromagnetycznym i powinny być wykrywalne. Jednak w przypadku grawitino ich ekstremalna rzadkość sprawia, że praktycznie nie emitują światła. Dodatkowo są stabilne – nie rozpadają się na inne cząstki, co czyni je idealnymi kandydatami do roli ciemnej materii.
Chiński detektor JUNO. Nieoczekiwany sojusznik
Badania opublikowane w Physical Review Research wskazują, że chiński detektor JUNO, który ma rozpocząć pracę w drugiej połowie 2025 roku, może być idealnym narzędziem do wykrywania tych egzotycznych cząstek. Jiangmen Underground Neutrino Observatory to największy podziemny detektor na świecie, zawierający 20 000 ton specjalnej cieczy.
Choć detektor został zaprojektowany do badania neutrin, polscy naukowcy wykazali, że jego konstrukcja nadaje się doskonale do rejestracji grawitin. Cząstki te, przechodząc przez detektor, pozostawiają charakterystyczny sygnał świetlny trwający od kilku do kilkuset mikrosekund – znacznie dłużej niż typowe zdarzenia neutrinowe.
Połączenie fizyki cząstek z chemią kwantową
Badania stanowią przykład doskonałej współpracy między różnymi dziedzinami nauki. Adrianna Kruk i Michał Lesiuk z Wydziału Chemii UW przeprowadzili szczegółowe obliczenia przekrojów czynnych dla wzbudzeń elektronowych w cieczy scyntylacyjnej. Wyniki pokazują, że grawitino poruszające się z prędkością galaktyczną może wygenerować około 1,4 miliona fotonów, co stanowi sygnał tysiące razy silniejszy od tła radioaktywnego.
Symulacje uwzględniają wszystkie możliwe źródła zakłóceń, w tym rozpad radioaktywnego węgla-14 w oleju czy ciemne zliczenia fotopowielaczy. Naukowcy wykazali również, że grawitino nie będzie emitować promieniowania Czerenkowa ze względu na zbyt małą prędkość w porównaniu z prędkością światła w wodzie.
Co oznaczałoby odkrycie grawitin
Wykrycie tych cząstek byłoby pierwszym bezpośrednim dowodem na fizykę w pobliżu skali Plancka – najbardziej fundamentalnej skali w przyrodzie. Dotychczas wszystkie teorie unifikujące grawitację z pozostałymi siłami natury pozostawały w sferze czysto teoretycznych spekulacji.
Obecne obliczenia są dość konserwatywne i uwzględniają tylko wzbudzenia do najniższych stanów elektronowych. Szacuje się, że JUNO może rejestrować około 100 zdarzeń grawitinowych rocznie, a nawet pojedyncze potwierdzone zdarzenie miałoby przełomowe znaczenie.
Perspektywy i realistyczne oczekiwania
Start detektora JUNO w drugiej połowie 2025 roku oznacza, że pierwsze wyniki mogą być dostępne już w przyszłym roku. Trzeba jednak zachować ostrożny optymizm – historia badań nad ciemną materią pełna jest obiecujących teorii, które ostatecznie nie znalazły potwierdzenia eksperymentalnego.
Czytaj także: Tajemnica ciemnej materii może zostać rozwiązana w zaledwie 10 sekund
Polscy naukowcy wyznaczyli jednak nowe standardy interdyscyplinarności, łącząc teoretyczną fizykę cząstek z praktycznymi metodami chemii kwantowej. Nawet jeśli grawitino okażą się ślepym zaułkiem, samo podejście badawcze może zainspirować nowe kierunki poszukiwań. Być może odpowiedź na jedną z największych zagadek współczesnej nauki czai się tam, gdzie nikt jej dotąd nie szukał.