Noua particulă surprinzătoare care ar putea, în sfârșit, să explice materia întunecată

Materia întunecată continuă să fie una dintre cele mai mari enigme ale fizicii moderne. De peste patru decenii, cercetători din întreaga lume au căutat explicații printr-o varietate de teorii și experimente, de la axioni — particule extrem de ușoare — până la WIMP-uri (particule masive slab interacționante), fără a reuși să identifice concret natura acestei componente misterioase a universului.

O direcție neașteptată provine dintr-o ramură mai puțin explorată a fizicii: gravitinii încărcați, particule supergrele propuse de teoria supergravității, care unifică particulele fundamentale cu gravitația. Spre deosebire de candidații tradiționali pentru materia întunecată, care sunt neutri electric, gravitinii posedă sarcină electrică. Totuși, datorită masei lor extrem de mari și rarefacerii în spațiu, ei rămân practic invizibili pentru metodele de observare astronomică convenționale.

Studiile recente realizate de cercetători de la Universitatea din Varșovia și de la Institutul Max Planck pentru Fizica Gravitației, publicate în Physical Review Research, sugerează că detectoarele subterane de mari dimensiuni ar putea surprinde semnalul unic al acestor gravitini. Printre acestea, se numără JUNO din China și viitorul detector DUNE din Statele Unite. Simulările detaliate, care combină fizica particulelor cu chimia cuantică avansată, arată că trecerea unui gravitino printr-un astfel de detector ar produce un semnal specific, imposibil de confundat cu orice altă particulă cunoscută.

Originea teoretică a gravitini-lor încărcați se află în N=8 supergravity, o teorie matematică dezvoltată în 1979, care include gravitonul (particulă de spin 2), opt gravitini (spin 3/2) și particulele standard ale materiei (cei șase quarki și șase leptoni). Inițial, asocierea teoriei cu Modelul Standard avea unele neconcordanțe, cum ar fi valorile greșite ale sarcinilor electrice ale particulelor. Cercetătorii Krzysztof Meissner și Hermann Nicolai au reușit să modifice modelul, ajustând sarcinile electrice și introducând o simetrie matematică complexă, K(E10), care depășește simetriile obișnuite ale Modelului Standard.

Această modificare a teoriei a dus la un rezultat surprinzător: două dintre gravitini ar putea fi particule stabile, extrem de masive și încărcate electric, devenind candidați promițători pentru materia întunecată. Deși fiecare are o masă apropiată de masa Planck — echivalentul a miliarde de miliarde de mase protonice — acestea nu pot decădea deoarece nu există alte particule în care să se transforme. Raritatea lor uriașă — estimată la un gravitino la fiecare 10.000 km³ în Sistemul Solar — face detectarea lor extrem de dificilă.

Totuși, detectoarele moderne de mari dimensiuni, concepute inițial pentru studiul neutrino-urilor, oferă oportunități neașteptate. JUNO, de exemplu, va conține 20.000 de tone de lichid organic special, într-un vas sferic de 40 de metri diametru, înconjurat de peste 17.000 de fotomultiplicatori, și este programat să înceapă măsurătorile în a doua jumătate a anului 2025. Datorită volumului uriaș și a sensibilității sporite, aceste detectoare pot surprinde semnătura rară și distinctă a gravitini-lor.

Simulările realizate de echipa din Varșovia au necesitat calcul intensiv și combinarea detaliilor din fizica particulelor cu metode avansate de chimie cuantică, inclusiv analiza interacțiunilor fotonice în lichidul detectorului și eliminarea tuturor posibilelor surse de zgomot, precum decăderile radioactive sau efectele instrumentale. Rezultatul arată că semnalul unui gravitino, chiar și extrem de rar, va fi distinct și imposibil de confundat cu trecerea oricărei particule cunoscute până acum.

Detectarea gravitini-lor supergrei încărcați ar reprezenta un pas revoluționar în înțelegerea fizicii fundamentale, oferind prima dovadă experimentală a fenomenelor la scară Planck. Mai mult, ar putea reprezenta un indiciu concret către o teorie unificată a tuturor forțelor naturii, incluzând gravitația, care până acum a rămas izolată în cadrul teoriilor clasice și cuantice.

În concluzie, gravitinii încărcați deschid o cale complet nouă de cercetare în fizica materiei întunecate, combinând descoperiri teoretice profunde cu tehnologii experimentale de ultimă generație. Dacă aceste particule vor fi detectate, ele ar putea nu doar să dezlege unul dintre cele mai mari mistere ale universului, ci și să ofere indicii prețioase despre modul în care toate forțele fundamentale sunt interconectate.