Астрономія та фізика космосу/Гравітино

Гравітино - це один з можливих кандидатів на роль темної матерії у всесвіті. Це суперсиметричний партнер гравітона, який є гравітаційною суперсиметричною частинкою.

Однак, зараз немає жодних експериментальних підтверджень, що гравітино є головним складовим темної матерії. Існують інші можливі кандидати, такі як WIMP (слабо взаємодіючі частинки), Axion (гіпотетична елементарна частинка) і sterile neutrino (нейтрино без електрослабкої взаємодії). Тому гравітино може бути лише одним з кандидатів на роль темної матерії, і його реальна роль залишається невідомою і потребує подальшого дослідження.

Однією з переваг гравітино як кандидата на роль темної матерії є те, що вона присутня в більшості моделей суперсиметрії - однієї з найбільш перспективних теорій фізики поза Стандартною Моделлю. Також гравітино має досить слабку взаємодію зі звичайною матерією, що пояснюється тим, що гравітон - частка, до якої вона є суперсиметричний партнер, - не має електричного заряду і не має сильної взаємодії. Це робить гравітино одним з найбільш вірогідних кандидатів на роль темної матерії, оскільки вона не взаємодіє зі світлом, електричними зарядами і рештою сил, які ми спостерігаємо в нашому світі. Однак, досі немає конкретних експериментальних доказів про існування гравітино, тому це залишається відкритою проблемою.

У загальній теорії відносності (ЗТВ) взаємодія гравітації описується геометриєю простору-часу, в той час як в квантових полях взаємодія відбувається за допомогою обміну квантів. Тому дослідження квантових поля зі спіном 3/2 у ЗТВ стикається з проблемою нерозуміння, як саме гравітон взаємодіє з квантовим полем гравітино.

Крім того, гравітон, як і інші бозони, має нелокальну природу, тобто його вплив на квантове поле розповсюджується на довільно великі відстані, що призводить до складнощів у формулюванні квантової теорії поля гравітону. Додатково, гравітаційні поля, що описуються ЗТВ, диференційні, що ускладнює побудову квантової теорії поля.

Крім того, існує проблема з регуляризацією квантових полів в ЗТВ, особливо у випадку квантових полів з високим спіном, таким як у гравітино. Ці труднощі пов'язані з необхідністю побудови теорії, яка б враховувала квантові ефекти гравітації, але при цьому не порушувала б основні принципи ЗТВ.

Отже, дослідження квантового поля зі спіном 3/2 у ЗТВ є досить складним завданням і потребує розвитку нових математичних та теоретичних інструментів.

Гіпотетична частинка зіно та її властивості

Зіно — це гіпотетична частинка, яка є суперсиметричним партнером проміжного векторного Z-бозона, що переносить слабку ядерну взаємодію. Зіно є частинкою, передбаченою теорією суперсиметрії (SUSY), яка є розширенням Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Теорія суперсиметрії пропонує, що кожна відома елементарна частинка має важчого суперсиметричного партнера. У випадку Z-бозона, його суперсиметричним партнером є зіно.

Властивості зіно

1. Спін: Зіно має спін 1/2, оскільки його суперсиметричний партнер Z-бозон є бозоном зі спіном 1.
2. Маса: Масу зіно передбачити важко, оскільки це залежить від деталей суперсиметричної теорії. Проте, суперсиметричні частинки, як правило, значно важчі за їх стандартні партнери.
3. Електричний заряд: Зіно є нейтральним, оскільки Z-бозон також нейтральний.
4. Темна матерія: Зіно є одним із кандидатів у темну матерію завдяки своїм властивостям нейтральності та стабільності.

Дослідження зіно як кандидата у темну матерію

Однією з головних причин, чому зіно розглядається як кандидат у темну матерію, є те, що він може бути стабільним і важким, відповідно до вимог до частинок темної матерії. Нижче наведено деякі рівняння та концепції з квантової теорії поля, які описують властивості та взаємодії зіно.

Лагранжіан для зіно

Взаємодія зіно з іншими частинками в суперсиметричній теорії описується лагранжіаном. Для простоти розглянемо спрощений варіант лагранжіана, що включає зіно $({\tilde {Z}})$, нейтраліно $({\tilde {\chi }}^{0})$, і Z-бозон $(Z)$:

$[{\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}{\bar {\tilde {Z}}}\gamma ^{\mu }(\partial _{\mu }-ig_{Z}Z_{\mu }){\tilde {Z}}-{\frac {1}{2}}m_{\tilde {Z}}{\bar {\tilde {Z}}}{\tilde {Z}}]$

Тут $(\gamma ^{\mu })$ — це матриці Дірака, $(g_{Z})$ — константа зв'язку, $(Z_{\mu })$ — поле Z-бозона, і $(m_{\tilde {Z}})$ — маса зіно.

Рівняння руху

Рівняння руху для зіно отримуються з лагранжіану за допомогою рівнянь Ейлера-Лагранжа:

$[{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\tilde {Z}}}}-\partial _{\mu }\left({\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial (\partial _{\mu }{\tilde {Z}})}}\right)=0]$

Після спрощень для нейтрального зіно отримаємо:

$[(i\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }-m_{\tilde {Z}}){\tilde {Z}}=0]$

Це рівняння Дірака для частинки зіно.

Взаємодії зіно

1. Взаємодії з Z-бозоном: Зіно взаємодіє з Z-бозоном через слабку ядерну взаємодію.
2. Анігіляція: Зіно може анігілювати з анти-зіно, утворюючи Z-бозони або інші частинки Стандартної моделі.
3. Розсіювання на нуклонах: Якщо зіно є частинкою темної матерії, вона може розсіюватися на нуклонах, що можна спостерігати в експериментах на пряме виявлення темної матерії.

Заключення

Таким чином, зіно є цікавим кандидатом у темну матерію завдяки своїм властивостям нейтральності, стабільності та важкості. Дослідження його властивостей та взаємодій вимагає використання квантової теорії поля і спеціальних диференціальних рівнянь, що описують його динаміку.

Зіно (або нейтраліно), як суперсиметричний партнер Z-бозона, є одним із кандидатів на частинки темної матерії в рамках суперсиметричної теорії. Зіно є ферміоном, що бере участь у слабкій взаємодії і, як очікується, має значну масу, що робить його одним із можливих складників темної матерії. Дослідження зіно значно активізувались у період з 2000 по 2023 рік, включаючи як теоретичні, так і експериментальні аспекти.

На початку 2000-х років дослідження зіно як кандидата на темну матерію розглядали взаємодії цієї частинки з іншими частинками стандартної моделі через слабкі і гравітаційні сили. Нейтраліно можуть анігілювати один з одним, створюючи вторинні частинки, такі як фотони, які можна спостерігати за допомогою сучасних телескопів і детекторів.

Важливими рівняннями, які використовуються для опису зіно, є рівняння, що виникають із квантової теорії поля і суперсиметрії. Для дослідження масової матриці нейтраліно використовується така форма:

$[{\mathcal {L}}_{\text{mass}}=-{\frac {1}{2}}(\psi ^{0})^{T}M_{N}\psi ^{0}+{\text{h.c.}}]$

де $(\psi ^{0})$ — це нейтральні ферміони, що складаються з бін, віно і нейтраліно, а $(M_{N})$ — масова матриця, що включає терміни, отримані з суперсиметричного розширення стандартної моделі.

Дослідження, проведені у період з 2000 по 2023 роки, включають експерименти на детекторах темної матерії, таких як LUX-ZEPLIN (LZ) і XENON1T, які шукають прямі докази існування зіно шляхом реєстрації їх взаємодій із ядрами. Результати показують, що при певних умовах маса нейтраліно може бути в діапазоні від кількох десятків до кількох сотень ГеВ/с², що відповідає передбаченням суперсиметричних моделей.

Крім того, деякі експерименти, такі як AMS-02 на Міжнародній космічній станції, намагаються виявити вторинні частинки, утворені внаслідок анігіляції нейтраліно, такі як високоенергетичні позитрони і антипротони. Інші космічні телескопи, такі як Fermi-LAT, спрямовані на виявлення гамма-променів від таких анігіляцій.

Таким чином, дослідження зіно продовжуються, і новітні технології та методи експериментів дають надію на те, що в найближчі роки буде зроблено значний прогрес у розумінні темної матерії і ролі нейтраліно у її складі.