尋找引力微子！

一個(gè)未解的謎題

暗物質(zhì)的本質(zhì)是物理學(xué)中最深?yuàn)W的謎團(tuán)之一。從提出新的基本粒子，到修正愛因斯坦的廣義相對(duì)論，科學(xué)家已經(jīng)為揭示暗物質(zhì)究竟是什么提出了許多想法。

在粒子物理學(xué)領(lǐng)域，超對(duì)稱粒子、超輕類軸子粒子以及更重的弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）都被視為潛在的候選粒子，它們與普通物質(zhì)的相互作用都極其微弱。在過去40年里，科學(xué)家已經(jīng)開展了廣泛的實(shí)驗(yàn)來尋找這些粒子，但都未能成功。

幾年前，在一個(gè)統(tǒng)一粒子物理與引力的理論框架中，有科學(xué)家提出了與以往設(shè)想完全不同的新型暗物質(zhì)候選者——超重荷電引力微子（superheavy charged gravitino）。

近日，一篇發(fā)表在《物理評(píng)論研究》的論文指出，新一代地下探測器，尤其是即將投入運(yùn)行的江門中微子實(shí)驗(yàn)站（JUNO），極為適合用于探測引力微子。通過結(jié)合基本粒子物理與先進(jìn)量子化學(xué)的模擬計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)表明：這類引力微子可以在中微子探測器中留下的獨(dú)一無二、清晰可辨的信號(hào)。

N=8 超引力與標(biāo)準(zhǔn)模型

1981年，物理學(xué)家默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）注意到一個(gè)驚人的巧合：標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有夸克和輕子——竟然自然地出現(xiàn)在一個(gè)由純數(shù)學(xué)構(gòu)建的理論里，即擁有“最大對(duì)稱性”的“N=8超引力”。

N=8超引力除了包含這些自旋為1/2的標(biāo)準(zhǔn)模型物質(zhì)粒子，還包含自旋為2的引力子，以及8個(gè)自旋為3/2的引力微子（gravitino）。如果標(biāo)準(zhǔn)模型真的與N=8超引力相關(guān)，那么這種關(guān)聯(lián)或許能為解決理論物理中最艱難的問題——如何統(tǒng)一引力與粒子物理——提供線索。

令人驚訝的是，經(jīng)過40年的加速器實(shí)驗(yàn)研究，物理學(xué)家至今仍未發(fā)現(xiàn)任何新物質(zhì)粒子，N=8超引力仍然是唯一一個(gè)能解釋“為什么標(biāo)準(zhǔn)模型中正好有6個(gè)夸克和6個(gè)輕子”的理論框架。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型描述了基本粒子的屬性和它們之間的相互作用。

然而，若要將N=8超引力直接對(duì)應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)模型時(shí)，會(huì)存在一些問題——最主要的一個(gè)問題是：它預(yù)測的夸克和輕子的電荷，相較于已知值偏移了±1/6，比如電子電荷被預(yù)測為-5/6，而不是-1。

理論修正與新候選者的誕生

2018年，華沙大學(xué)的Krzysztof Meissner和馬克斯·普朗克引力物理研究所的Hermann Nicolai重拾蓋爾曼的設(shè)想，并對(duì)其思路進(jìn)行了改進(jìn)，突破了N=8超引力的限制，最終得到了與標(biāo)準(zhǔn)模型一致的電荷值。

他們的修改指向一個(gè)更深層次、數(shù)學(xué)上鮮為人知的“無限對(duì)稱性”——K(E10)，它甚至可能取代標(biāo)準(zhǔn)模型中的傳統(tǒng)對(duì)稱性。

在接下來的研究中，他們指出，這一修正帶來了一個(gè)令人意想不到的可能性：暗物質(zhì)或許并非我們一直設(shè)想的“電中性粒子”，而是一種質(zhì)量可能極其巨大、接近普朗克尺度，而且?guī)щ姷囊ξ⒆?/strong>——其中6個(gè)帶有 ±1/3 電荷，2個(gè)帶有 ±2/3 電荷。

盡管這些引力微子的質(zhì)量極其龐大，但無法發(fā)生衰變，因此它們可以在宇宙中穩(wěn)定存在。Meissner和Nicolai由此提出，那兩個(gè)帶±2/3電荷的引力微子，可能正是暗物質(zhì)的組成部分。

探測的可能與挑戰(zhàn)

雖然這類假想粒子與此前所有的候選粒子都大不相同，但它或許能為破解暗物質(zhì)之謎開辟一條全新的思路。

由于它與普通物質(zhì)存在相互作用，因此原則上可以被直接探測。但難度在于，它的豐度很低——粗略估算在太陽系中平均每一萬立方千米的空間中才有一個(gè)，因此現(xiàn)有的探測器幾乎沒有可能觀測到它。

2024年，Meissner和Nicolai在《歐洲物理學(xué)雜志》發(fā)表了一篇論文，指出使用基于閃爍體的中微子探測器，可能具備探測這些超重、帶電的引力微子的潛力。而在所有現(xiàn)有和在建的探測器中，我國的JUNO最有潛力。

JUNO的主要任務(wù)是研究中微子的性質(zhì)，它由一個(gè)直徑約40米的球形容器構(gòu)成，內(nèi)部裝有2萬噸液體閃爍體，并在外部環(huán)繞4萬多個(gè)光電倍增管來捕捉微弱信號(hào)。這一設(shè)計(jì)不僅能滿足中微子研究的需求，也為尋找像引力微子這樣的暗物質(zhì)候選者提供了獨(dú)特條件。

中微子探測器中的獨(dú)特信號(hào)

現(xiàn)在，在最新發(fā)表于《物理評(píng)論研究》的論文中，Meissner和Nicolai 及其合作者首次詳細(xì)分析了如果引力微子真的存在，那么它們?cè)贘UNO，以及未來的液氬探測器（如深層地下中微子實(shí)驗(yàn)DUNE）中可能呈現(xiàn)出的特征。

這篇論文不僅論述了物理與化學(xué)的理論背景，還對(duì)引力微子穿過探測器時(shí)在不同速度和軌跡下的表現(xiàn)進(jìn)行了高精度模擬。這類模擬需要先進(jìn)的量子化學(xué)知識(shí)和大量計(jì)算資源，并且必須考慮各種可能的背景噪聲，例如液體閃爍體中放射性碳-14的衰變、光電倍增管的暗噪聲等。

結(jié)果顯示，如果配合合適的軟件處理，引力微子通過探測器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種獨(dú)一無二的信號(hào)，完全不同于任何已知粒子。

當(dāng)一個(gè)超重荷電引力微子穿過液體閃爍體時(shí)，會(huì)激發(fā)出光子，在其軌跡上形成特有的“輝光”。從而產(chǎn)生可被探測器記錄的信號(hào)。（圖/K. Beil, Formgeber/Milde Science Communication）

具體來說，他們所提出的觀測方法并非基于常見的電離效應(yīng)，而是基于一種“輝光”。這種輝光源于超重引力微子穿過大型中微子實(shí)驗(yàn)站的探測流體時(shí)產(chǎn)生的光子。根據(jù)計(jì)算，這種輝光能持續(xù)幾微秒到幾百微秒，并會(huì)在探測器中留下清晰的特征軌跡。

在JUNO中，尋找引力微子的工作可以與中微子探測并行進(jìn)行，互不干擾。而閃爍體的量子化學(xué)特性及其獨(dú)特性質(zhì)，將在預(yù)測的輝光效應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

自然力統(tǒng)一的新契機(jī)

研究人員表示，如果能夠探測到超重引力微子，將意味著人類在探索引力與粒子的統(tǒng)一理論道路上邁出了重要一步。由于這些粒子的質(zhì)量被預(yù)測在普朗克質(zhì)量的量級(jí)，它們的探測將成為普朗克尺度物理的首個(gè)直接證據(jù)，從而為自然界的所有基本力的統(tǒng)一提供寶貴的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

#參考來源：

https://www.eurekalert.org/news-releases/1099113

https://www.mpg.de/25253597/a-new-candidate-for-dark-matter

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/fm6h-7r78

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, St. Barbara) und S. Allen (Stanford University)