Grawitina - niezwykłe cząstki, które sklejają nasz wszechświat

Marzeniem fizyków jest opracowanie jednolitej teorii wszystkich znanych oddziaływań. Wciąż najpoważniejszym kandydatem na Teorię Wszystkiego jest teoria superstrun. Podstawową wartością jest tu masa Plancka, 10 19 większa od masy protonu. W wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN w wyniku zderzeń udaje się wytworzyć cząstki średnio 1000 razy cięższe od protonu. Zestawienie tych dwóch wartości jasno pokazuje, że wytworzenie wzbudzonych stanów superstrunowych podczas zderzeń cząstek jest poza zasięgiem ludzkich możliwości. Weryfikacji teorii strun należy szukać zatem poprzez supersymetrię.

Supersymetria zakłada istnienie symetrii między oddziaływaniami i materią. Wszystkie cząstki elementarne mają swojego supersymetrycznego, ciężkiego odpowiednika. Supersymetrycznym partnerem grawitonu - bezmasowej cząstki przenoszącej oddziaływania grawitacyjne, jak foton przenoszący oddziaływania elektromagnetyczne - jest grawitino. Ponieważ supersymetria nie jest doskonałą symetrią przyrody, grawitino musi mieć masę różną od zera.

- Potrafimy obliczyć masę ciemnej materii, ale wciąż nie wiemy, czym tak naprawdę ona jest. Cząstki ją budujące powinny posiadać albo dużą masę, albo być bardzo liczne. Neutrina spełniają niemal wszystkie warunki potencjalnych budulców ciemnej materii poza jednym - mają za małą masę. I tu pojawia się grawitino - hipotetyczny supersymetryczny partner hipotetycznego grawitonu. Bardziej hipotetycznie już być nie może - powiedział Are Raklev, fizyk cząstek elementarnych z Uniwersytetu w Oslo, twórca teorii grawitina.

Model Standardowy łączy wszystkie występujące we wszechświecie siły - elektromagnetyzm (elektryczność i magnetyzm), oddziaływania słabe (radioaktywność pierwiastków) i oddziaływania silne (siły spajające jądro atomu) w całość. Prawie wszystkie, bo obecnie nie istnieje teoria, która pozwoliłaby połączyć grawitację z trzeba pozostałymi siłami. Taką teoria byłaby Teoria Wszystkiego, której nie da się opracować bez zrozumienia grawitacji od strony mechaniki kwantowej. A to z kolei wymagałoby teorii, w której grawiton byłby częścią jądra atomowego.

Czy można powiedzieć coś o właściwościach grawitina, mimo iż tak naprawdę nie wiadomo, jaką cząstka ta miałaby mieć masę i czy oddziaływałaby tylko grawiatacyjnie? Okazuje się, że tak, bowiem od własności grawitina zależy historia wszechświata. Według Rakeva, grawitina powstały tuż po Wielkim Wybuchu.

- Gdy nie ma oddziaływania elektromagnetycznego z widzialnymi cząstkami, ciemna materia może przechodzić przez nasze ciała, a my nie mamy odpowiednich instrumentów, które ją zarejestrują. Tu działa supersymetria. Jeżeli teoria ta jest prawdziwa, możliwe jest wyjaśnienie istnienia ciemnej materii, którą część, jeżeli nie większość, stanowią grawitina. Jeżeli Teoria Wszystkiego istnieje, a przez to jeżeli jest możliwa unifikacja czterech sił natury, grawitina też istnieją - wyjaśnił Raklev.

Obserwując mikrofalowe promieniowanie tła, będące pozostałością po początkach wszechświata, fizycy stwierdzili, że materia w postaci neutralnych atomów (zbudowanych z protonów, neutronów i elektronów) to zaledwie 4 proc. całkowitej energii wszechświata. Pozostałe 96 proc. jest nieznane. Cała znana nam materia jest przyciągana przez grawitację. Jeżeli właśnie taka forma materii byłaby jedynym składnikiem wszechświata, jego ekspansja - ze względu na wspomniane przyciąganie - ulegałaby spowolnieniu. A ostatnie odkrycia potwierdzają, że wszechświat nadal się rozszerza. Musi zatem istnieć jakaś forma energii, która powoduje przyspieszoną ekspansję wszechświata. To ciemna energia, która stanowi 73 proc. całkowitej energii wszechświata. Pozostałe 23 proc. stanowi tzw. ciemna materia, która nie oddziałuje z fotonami i nie rozprasza promieniowania odległych galaktyk.

Ciemną materię mogą budować cząstki, które oddziałują tylko słabo i grawitacyjnie, a co więcej muszą być na tyle stabilne, by nie rozpadły się do teraz. Tylko neutrina spełniają takie kryteria, ale by tworzyć ciemną materię mają za małą masę. Przez to podczas formowania struktur wielkoskalowych - gromad i supergromad galaktyk - neutrina poruszałyby się z prędkościami bliskimi prędkości światła. A to z kolei powodowałoby "rozluźnienie" skupisk materii o mniejszych rozmiarach. Obserwacje wszechświata i symulacje komputerowe potwierdzają natomiast, że najpierw tworzyły się mniejsze struktury, które dopiero z czasem formowały galaktyki, następnie gromady i supergromady galaktyk. Oznacza to, że większość ciemnej materii we wszechświecie to tzw. zimna ciemna materia, czyli cząstki cięższe poruszające się z prędkościami nierelatywistycznymi. Najlepszym kandydatem na budulca zimnej ciemnej materii jest najlżejsza cząstka supersymetryczna, czyli grawitino. W typowych modelach fizycznych masa grawitina wynosi od 1 do 100 mas protonu - to wystarczająco, by grawitina poruszały się z wymaganymi przez teorię prędkościami i nie przeszkadzały przy kreowaniu najmniejszych składników wszechświata.

Grawitino jest dobrym potencjalnym materiałem budulcowym ciemnej materii, ale generuje również poważny problem kosmologiczny. Tuż po Wielkim Wybuchu, grawitina były produkowane w masowych ilościach, zatem ich gęstość musiała być bardzo duża, co wiązałoby z szybkim grawitacyjnym zapadaniem się wszechświata. Problem ten nie występowałby, gdyby masa grawitina była mniejsza niż milionowa część masy protonu. Ale od masy grawitina zależy czas życia także innych supersymetrycznych cząstek. Zbyt lekkie grawitina zagrażałyby pierwotnej nukleosyntezie (tworzeniu jąder atomowych), która rozpoczęła się już sekundę po Wielkim Wybuchu. Wcześniej jądra atomowe nie mogły na trwałe powstać, gdyż we wszechświecie była zbyt duża ilość wysokoenergetycznych fotonów. Te z kolei rozbijały większość nowo powstających jąder, więc praktycznie cała materia składała się ze swobodnych protonów i neutronów. Około sekundy po Wielkim Wybuchu, wszechświat był już na tyle chłodny, że oddziaływania słabe przestały dominować.

Przebieg pierwotnej nukleosyntezy jest czuły na wszelkie odstępstwa od Modelu Standardowego. Rozszerzenia Modelu Standardowego muszą być przeprowadzane na tyle czujnie, by nowe cząstki nie zaburzały przebiegu pierwotnej nukleosyntezy. Tyczy się to głównie rozpadów cząstek supersymetrycznych na grawitino i cząstki "zwykłe", których produkty rozpadów są bardzo energetyczne i zderzają się z lekkimi jądrami. Może to powodować ich dalsze przekształcenia niezgodne z obserwacjami. Problemu nie byłoby, gdyby wszystkie rozpady zaszły jeszcze przed rozpoczęciem pierwotnej nukleosyntezy. By tak się stało, cząstki supersymetryczne musiałyby mieć masę ponad 10 000 razy większą od protonu. To znacznie więcej niż zakładają realistyczne modele supersymetrii.

Rozwiązanie tego problemu może stanowić kosmiczna inflacja, której występowanie potwierdzono dzięki detekcji fal grawitacyjnych, "zmarszczek w czasoprzestrzeni", które są pierwszymi wstrząsami po Wielkim Wybuchu. Wykryto je dzięki obserwacjom mikrofalowego promieniowania tła, czyli pozostałości po Wielkim Wybuchu, które zbierał teleskop BICEP2 na biegunie południowym. Inflacja to okres bardzo szybkiego rozszerzania się wszechświata, która tłumaczy wiele niewyjaśnionych w inny sposób właściwości, np. jednorodność i izotopowość w dużych skalach oraz zerową krzywiznę. Jednym ze skutków błyskawicznego rozszerzania wszechświata jest zmniejszenie gęstości wszystkich wypełniających go cząstek do zera. Wszechświat staje się zatem pusty, a dopiero po zakończeniu rozszerzania, produkowane są cząstki, które poprzedzają jego standardową ewolucję tłumaczoną modelem Wielkiego Wybuchu.

- Fizycy starali się dotychczas wyeliminować grawitina ze swoich modeli. My mamy wyjaśnienie, które łączy supersymetrię i ciemną materię zbudowaną z grawitin. Uważamy, że ciemna materia nie jest wieczna, a ma po prostu bardzo długi okres życia, dlatego właśnie jest zbudowana z grawitin. Uważamy, że niemal cała ciemna materia składa się z grawitin, co można udowodnić za pomocą skomplikowanych obliczeń matematycznych. Teraz pracujemy nad opracowaniem metod eksperymentalnego potwierdzenia istnienia tych cząsteczek - dodał Raklev.

Najprostszym sposobem obserwacji cząsteczek jest rejestrowanie ich zderzeń. Grawitina albo nie zderzają się ze sobą, albo dochodzi do tego niezwykle rzadko. Cząstki te nie są jednak całkowicie stabilne - w pewnym momencie dochodzi do ich rozpadu. W trakcie przemiany dochodzi do emisji promieniowania gamma. To właśnie po tym można rozpoznać rozpad grawitin. Nie wiadomo jednak czy każda emisja promieniowania gamma to wynik rozpadu wspomnianych cząstek, czy jedynie efekt dodatkowy.

Czy grawitina naprawdę istnieją? Czy ludzkości uda się wykryć ich pośrednią obecność w Wielkim Zderzaczu Hadronów? Po potwierdzeniu istnienia bozonu Higgsa i detekcji fal grawitacyjnych, grawitina powinny być kolejnym priorytetowym celem badań fizyków. Odpowiedź na pytania, czy budują one ciemną materię we wszechświecie i jak wpłynęły na jego ewolucję, mogą być najważniejszymi uzyskanymi kiedykolwiek przez kosmologów.