Prof. Krzysztof Meissner z Wydziału Fizyki UW wraz z prof. Hermannem Nicolai z Max Planck Institute for Gravitational Physics prowadzi badania nad superciężkimi naładowanymi grawitinami. W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Physical Review Research”, we współpracy z badaczami z Wydziału Chemii UW, naukowcy wskazują na zastosowanie nowych podziemnych detektorów neutrin do wykrywania naładowanych grawitin.

Prowadzone od 40 lat badania eksperymentalne nie dostarczyły dotychczas wyjaśnienia natury ciemnej materii. Kilka lat temu prof. Krzysztof Meissner z Wydziału Fizyki UW i prof. Hermann Nicolai z Max Planck Institute for Gravitational Physics (Instytut Alberta Einsteina, AEI) wskazali na superciężkie, naładowane elektrycznie grawitina jako potencjalnych kandydatów na ciemną materię i zaproponowali metody ich poszukiwania w planowanych eksperymentach podziemnych.

W artykule opublikowanym w sierpniu w „Physical Review Research” prof. Meissner i prof. Nicolai, we współpracy z prof. Michałem Lesiukiem i Adrianną Kruk z Wydziału Chemii UW, przedstawili symulacje dotyczące tego, jak duże podziemne detektory neutrin mogłyby wykrywać grawitina na podstawie ich charakterystycznych śladów. Naukowcy przedstawili szczegółową analizę specyficznych sygnałów, które mogłyby wytwarzać zdarzenia wywołane przez grawitina w działającym od niedawna Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) oraz w przyszłych detektorach, takich jak Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Symulacje łączące fizykę cząstek elementarnych i zaawansowaną chemię kwantową opisane w artykule pokazują, że sygnały pochodzące od grawitin w detektorze powinny być całkowicie jednoznaczne.

Interdyscyplinarna analiza

Artykuł w czasopiśmie „Physical Review Research” przedstawia nie tylko teoretyczne podstawy, ale także bardzo szczegółowe symulacje sygnałów z fotopowielaczy w funkcji prędkości i toru grawitina przemieszczającego się przez detektor.

Ich przeprowadzenie wymagało użycia bardzo zaawansowanych metod z zakresu chemii kwantowej i intensywnych obliczeń korzystających z dużej mocy obliczeniowej. Symulacje musiały uwzględniać wiele możliwych czynników tła – rozpad radioaktywnego ¹⁴C obecnego w oleju, samowzbudzenia fotopowielaczy (dark count rate), wydajność fotopowielaczy, absorpcję fotonów w oleju etc.

Symulacje pokazują, że przy odpowiednim oprogramowaniu przejście grawitina przez detektor pozostawi unikatowy sygnał, którego nie da się błędnie przypisać jakiejkolwiek z obecnie znanych cząstek.

Analiza wyznacza nowe standardy interdyscyplinarności, łącząc dwie różne dziedziny badań: teoretyczną i eksperymentalną fizykę cząstek elementarnych oraz bardzo zaawansowane metody współczesnej chemii kwantowej.

Wykrycie przewidywanych przez model Meissnera i Nicolai superciężkich grawitin stanowiłoby niezwykle ważny krok w poszukiwaniu zunifikowanej teorii grawitacji i teorii cząstek elementarnych. Ze względu na to, że  model przewiduje, iż grawitina mają masy rzędu masy Plancka, ich wykrycie stanowiłoby pierwszy wgląd w zjawiska fizyczne o energiach rzędu skali Plancka i wskazywałoby na sposób unifikacji grawitacji z pozostałymi oddziaływaniami.

Prezentacja prof. Krzysztofa Meissnera na temat prowadzonych badań: