Dark Matter reste l'un des plus grands mystères de la physique fondamentale. De nombreuses propositions théoriques (axions, WIMP) et 40 ans de recherches expérimentales approfondies n'ont pas réussi à fournir une explication de la nature de la matière noire.
Il y a plusieurs années, dans une théorie unificatrice de la physique des particules et de la gravité, de nouveaux candidats à matière noire radicalement différents ont été proposés: des gravités chargés de super-héros.
Maintenant, un article publié dans Recherche d'examen physique Par des scientifiques de l'Université de Varsovie et de l'Institut Max Planck pour la physique gravitationnelle montrent comment les nouveaux détecteurs souterrains, en particulier le détecteur JUNO commençant bientôt à prendre des données, même s'ils sont conçus pour la physique des neutrinos, sont également extrêmement bien adaptés pour éventuellement détecter les gravités de la matière noire chargés.
Les simulations combinant deux champs, la physique des particules élémentaires et la chimie quantique avancée montrent que le signal gravtitino dans le détecteur doit être unique et sans ambiguïté.
En 1981, Murray Gell-Mann, lauréat du prix Nobel pour l'introduction de Quarks en tant que constituants fondamentaux de la matière, a remarqué le fait intrigant que les particules du modèle standard, Quarks et Leptons, sont contenues dans une théorie formulée purement mathématiquement deux ans plus tôt, « N = 8 Supergravity », distinguée par sa symétrie maximale. N = 8 Supergravité contient des particules de matière de modèle standard de Spin 1/2, mais contient également une partie gravitationnelle: Graviton (de Spin 2) et 8 Gravitinos de Spin 3/2.
Si le modèle standard est en effet lié à n = 8 supergravité, la relation peut indiquer un moyen de résoudre le problème le plus difficile de la physique théorique fondamentale – une gravité unifiant avec la physique des particules. N = 8 supergravité dans le spin ½ secteur contient exactement 6 quarks (u, d, c, s, t, b) et 6 leptons (électron, muon, tauon et neutrinos) et interdit la présence de toute autre particules de matière.
Après 40 ans de recherche intensive à l'accélérateur ne découvrant pas de nouvelles particules de matière, le contenu de la matière de supergravité n = 8 est non seulement conforme à nos connaissances, mais reste la seule explication théorique connue du nombre de quarks et de leptons dans le modèle standard.
Cependant, la connexion directe de la supergravité n = 8 avec le modèle standard présente plusieurs inconvénients, le principal étant que les charges électriques de quarks et de leptons ont été décalées de ± 1/6 par rapport aux valeurs connues; Par exemple, un électron avait une charge -5/6 au lieu de -1.
Il y a plusieurs années, Krzysztof Meissner de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie, en Pologne et Hermann Nicolai de l'Institut Max Planck pour la physique gravitationnelle (Albert Einstein Institute / AEI), Potsdam, en Allemagne, est revenu à l'idée de Gell-Mann, et ils ont été en mesure d'aller au-delà de l'électricité. Modèle de particules de matière.
La modification est de grande envergure, pointant vers une symétrie infinie K (E10), qui est peu connue mathématiquement et remplace les symétries habituelles du modèle standard.
L'un des résultats surprenants de la modification, décrits dans les articles dans Lettres d'examen physique et Revue physiqueest le fait que les Gravititinos, vraisemblablement d'une masse extrêmement importante près de l'échelle de Planck, c'est-à-dire un milliard de masses de protons, sont chargés électriquement: six d'entre eux ont une charge ± 1/3 et deux d'entre eux ± 2/3.
Les Gravitinos, même s'ils sont extrêmement massifs, ne peuvent pas se décomposer car il n'y a pas de particules dans lesquelles ils pourraient se décomposer. Meissner et Nicolai ont donc proposé que deux gravitins de charge ± 2/3 (les six autres ont une abondance beaucoup plus faible) pourrait être des particules de matière noire d'un type très différent de tout ce qui proposait jusqu'à présent.
À savoir, les candidats habituels largement annoncés, soit des axions extrêmement légers, soit des masse intermédiaire (proton) comme les WIMP (les particules massives en interaction faiblement), étaient électriquement neutres, en compatibilité avec le nom de «matière noire». Cependant, après plus de 40 ans de recherche intensive par de nombreuses méthodes et appareils différents, aucune nouvelle particules au-delà du modèle standard n'a été détectée.
Cependant, les Gravitinos présentent une nouvelle alternative. Même s'ils sont chargés électriquement, ils peuvent être des candidats de la matière noire parce que, étant si massifs, ils sont extrêmement rares et donc observationnellement « ne brillent pas dans le ciel » et évitent les contraintes très étroites sur la charge des électeurs de la matière noire.
De plus, la charge électrique de Gravitinos suggère une façon complètement différente d'essayer de prouver leur existence.
L'article original publié en 2024 dans le Journal physique européen C Par Meissner et Nicolai ont souligné que les détecteurs de neutrinos, basés sur des scintillateurs différents de l'eau, pourraient convenir à la détection de gravitinos de la matière noire.
Cependant, la recherche est extrêmement difficile par leur extrême rareté (vraisemblablement un seul Gravitino pour 10 000 km3 dans le système solaire), c'est pourquoi il n'y a aucune perspective de détection avec les détecteurs actuellement disponibles. Cependant, de nouveaux détecteurs souterrains géants, pétroliers ou liquides d'argon liquide sont construits ou planifiés et des possibilités réalistes de recherche de ces particules s'ouvrent maintenant.
Parmi tous les détecteurs, l'Observatoire de neutrinos souterrains chinois (JUNO), maintenant en construction, semble prédestiné pour une telle recherche. Il vise à déterminer les propriétés des neutrinos (en fait des antinéutrinos), mais comme les neutrinos interagissent extrêmement faiblement avec la matière, les détecteurs doivent avoir de très grands volumes.
Dans le cas du détecteur JUNO, cela signifie 20 000 tonnes d'un liquide biologique et synthétique en forme d'huile, couramment utilisé dans l'industrie chimique, avec des ajouts spéciaux, dans un vaisseau sphérique avec un diamètre d'environ 40 mètres avec plus de 17 000 photomultileurs autour de la sphère. Juno devrait commencer les mesures dans la seconde moitié de 2025.
Le papier dans Recherche d'examen physique Par Meissner et Nicolai, avec les collaborateurs Adrianna Kruk et Michal Lesiuk de la Faculté de chimie de l'Université de Varsovie, présente une analyse détaillée des signatures spécifiques que les événements causés par Gravitinos pourraient produire à Juno et aux futurs détecteurs d'argon liquide tels que l'expérience profonde de neutrino Underground (Dune) aux États-Unis.
L'article décrit non seulement l'arrière-plan théorique à la fois sur les côtés de la physique et de la chimie, mais aussi une simulation très détaillée des signatures possibles en fonction de la vitesse et de la piste d'un Gravitino voyageant à travers le vaisseau à l'huile. Il nécessitait une connaissance avancée de la chimie quantique et des calculs intensifs de CPU.
Les simulations devaient prendre en compte de nombreux antécédents possibles – degré de radioactive 14C Présent dans l'huile, le taux de décompte des ténèbres et l'efficacité des photomultiplicateurs, l'absorption des photons dans l'huile, etc.
Les simulations montrent qu'avec le logiciel approprié, le passage d'un gravtino à travers le détecteur laissera un signal unique impossible d'être identifié à tort avec un passage de l'une des particules actuellement connues.
L'analyse établit de nouvelles normes en termes d'interdisciplinarité en combinant deux domaines de recherche différents: la physique théorique et expérimentale des particules élémentaires d'une part et des méthodes très avancées de chimie quantique moderne d'autre part.
La détection des Gravitinos superhevy serait une étape majeure dans la recherche d'une théorie unifiée de la gravité et des particules. Étant donné que les Gravitinos devraient avoir des masses de l'ordre de la masse de Planck, leur détection serait la première indication directe de la physique près de l'échelle de Planck et pourrait ainsi fournir des preuves expérimentales précieuses pour une unification de toutes les forces de la nature.
