Къде е загадъчната тъмна материя?

Повече от век астрономите знаят за тъмната материя, за която съдят само по косвения й ефект. Частиците, носители на тъмната материя, не участват в електромагнитното взаимодействие, следователно не могат да се видят. Това усложнява задачата за определянето що за частици са те, затова се измислят все нови теории, всяка от които не може окончателно да бъде приета или отхвърлена. За тъмната материя се съди само по гравитационното й взаимодействие с обикновената материя.

„Търсим новия представител на нашето семейство на елементарните частици и разбираме, че това трябва да е доста екзотичен индивид – казва Аре Раклев от факултета по обща физика към университета в Осло. – Макар че можем да изчислим колко тъмна материя съществува във Вселената, досега почти нищо не знаем за нея. Частиците тъмна материя или са много тежки, или трябва да са много. Неутриното например задоволява всички критерии за кандидат за ролята на частица на тъмната материя освен един – то има много малка маса.”

За да се обясни движението на звездите и галактиките, е необходима друга частица. Раклев предлага да се обърнем към изучаването на гравитиното. „Гравитиното е хипотетичен суперсиметричен партньор на хипотетичната частица гравитон, така че едва ли може да се предложи по-хипотетична частица”, признава Раклев.

Суперсиметрията, или симетрията на Ферми-Бозе, също е хипотетична симетрия, свързваща бозоните и фермионите в природата. Абстрактното преобразуване на суперсиметрията свързва бозонното и фермионното квантово поле, така че те могат да се превръщат едно в друго. Образно може да се каже, че преобразуването на суперсиметрията може да привежда веществото във взаимодействие (или в излъчване) или обратното.

За всеки тип кварк или електрон съществува тежък, суперсиметричен партньор. Тези суперсиметрични частици са били създадени веднага след Големия взрив, но след това са се превърнали в материя. Ако някаква група от тези частици съществува и досега, на нея може да се пада отговорността за създаването на тъмната материя – фактически на гравитационното поле. Тази частица е наречена гравитино – суперсиметричния партньор на гравитона.

„Гравитонът е частица, която според нашите представи трябва да е носител на гравитационното поле – така както фотонът е носител на електромагнитното поле, на излъчването. Макар че гравитоните не следва да имат никаква маса, гравитиното може да се окаже много тежко. И ако гравитоните съществуват, а принципът на суперсиметрията е верен, то съществува и гравитино. И обратното”, казва Раклев. Но тук възниква един проблем. Връзката между гравитона и гравитиното не може да бъде открита, докато всички фундаментални взаимодействия не се обединят в едно.

Тази задача е една от централните в съвременната физика. В средата на миналия век е станало известно, че електричеството и магнетизмът са две проявления на една сила. След това електромагнетизмът е обединен със силните и слабите взаимодействия в рамките на Стандартния модел (основен модел във физиката на елементарните частици). Но най-слабата сила – гравитацията – се изплъзва от обединението. За това е необходимо да се получи теория на квантовата гравитация и да се разбере как действа тя на малки мащаби. Тази математическа задача засега остава неразрешена.

Неутриното, макар и да не е носител на тъмната материя, показва колко сложно е да се изследва тя (въпреки че неутриното има незначителна маса, то също внася своя принос в тъмната материя). Няколко милиарда неутрино преминават през човешкото тяло всяка секунда. Ние не ги забелязваме и за фиксирането на преминаването на неутриното през нашата планета са построени специални подземни обсерватории.

„Когато няма електромагнитно взаимодействие с видимите частици, такива частици могат да преминават през нас и никакъв инструмент няма да ни каже за това. Затова ни идва на помощ теоретичната наука – суперсиметричната теория. Ако тя е вярна, няма да има никакви проблеми с описването на тъмната материя – твърди Раклев. – Суперсиметрията опростява всичко.

На първо място, ако съществува общо фундаментално взаимодействие, то съществува и гравитино. Тези частици са се появили веднага след Големия взрив. Когато се е родила Вселената, тя е представлявала смесица от сблъскващи се частици. Глуоните, носители на силното взаимодействие, се сблъсквали един с друг, раждайки гравитино. По такъв начин всички съществуващи гравитино са се образували след раждането на Вселената и затова съществуват и досега, а не се раждат.”

Такова предположение създава проблем за суперсиметричната теория. Оказва се, че съществува прекалено много гравитино, ако то стои зад тъмната материя. Този проблем е разрешим, ако се абстрахираме от предположението, че тъмната материя е вечна.

„Открихме обяснение, което позволява да включим гравитиното в суперсиметричната теория. Ако тъмната материя не е вечна, но съществува доста дълго, то тя може да се състои от гравитино”, казва Раклев. Така средният живот на едно гравитино се оказва по-дълъг, отколкото е възрастта на Вселената, но не е безкраен. В такъв подход се крие не само съгласието с теорията, но той дава и надежда за експерименти. Ако гравитиното има крайно време на живот, то се разпада на други частици, а те вече може да се видят.

Но и тук се крие проблем. Тъмната материя се крие от изследвания. Теоретично космически апарат с необходимото оборудване би могъл да фиксира сблъсъци между гравитино и частиците, които ще се образуват при това. Само че гравитиното или изобщо не се сблъсква, или това се случва изключително рядко, дори при отчитане на огромното му количество във Вселената.

Възможност може да се представи само при изучаване на излъчването на областите, в които има много тъмна материя, но не може да се твърди, че сигналът от разпада на гравитиното ще е нещо повече от шума при наблюденията.