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
[edit]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
[edit]- Спін: Зіно має спін 1/2, оскільки його суперсиметричний партнер Z-бозон є бозоном зі спіном 1.
- Маса: Масу зіно передбачити важко, оскільки це залежить від деталей суперсиметричної теорії. Проте, суперсиметричні частинки, як правило, значно важчі за їх стандартні партнери.
- Електричний заряд: Зіно є нейтральним, оскільки Z-бозон також нейтральний.
- Темна матерія: Зіно є одним із кандидатів у темну матерію завдяки своїм властивостям нейтральності та стабільності.
Дослідження зіно як кандидата у темну матерію
[edit]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
[edit]Взаємодія зіно з іншими частинками в суперсиметричній теорії описується лагранжіаном. Для простоти розглянемо спрощений варіант лагранжіана, що включає зіно , нейтраліно , і Z-бозон :
Тут — це матриці Дірака, — константа зв'язку, — поле Z-бозона, і — маса зіно.
Рівняння руху
[edit]Рівняння руху для зіно отримуються з лагранжіану за допомогою рівнянь Ейлера-Лагранжа:
Після спрощень для нейтрального зіно отримаємо:
Це рівняння Дірака для частинки зіно.
Взаємодії зіно
[edit]- Взаємодії з Z-бозоном: Зіно взаємодіє з Z-бозоном через слабку ядерну взаємодію.
- Анігіляція: Зіно може анігілювати з анти-зіно, утворюючи Z-бозони або інші частинки Стандартної моделі.
- 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
[edit]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:
де — це нейтральні ферміони, що складаються з бін, віно і нейтраліно, а — 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.