寻找引力微子！

一个未解的谜题

暗物质的本质是物理学中最深奥的谜团之一。从提出新的基本粒子，到修正爱因斯坦的广义相对论，科学家已经为揭示暗物质究竟是什么提出了许多想法。

在粒子物理学领域，超对称粒子、超轻类轴子粒子以及更重的弱相互作用大质量粒子（WIMP）都被视为潜在的候选粒子，它们与普通物质的相互作用都极其微弱。在过去40年里，科学家已经开展了广泛的实验来寻找这些粒子，但都未能成功。

几年前，在一个统一粒子物理与引力的理论框架中，有科学家提出了与以往设想完全不同的新型暗物质候选者——超重荷电引力微子（superheavy charged gravitino）。

近日，一篇发表在《物理评论研究》的论文指出，新一代地下探测器，尤其是即将投入运行的江门中微子实验站（JUNO），极为适合用于探测引力微子。通过结合基本粒子物理与先进量子化学的模拟计算，研究团队表明：这类引力微子可以在中微子探测器中留下的独一无二、清晰可辨的信号。

N=8 超引力与标准模型

1981年，物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）注意到一个惊人的巧合：标准模型中的所有夸克和轻子——竟然自然地出现在一个由纯数学构建的理论里，即拥有“最大对称性”的“N=8超引力”。

N=8超引力除了包含这些自旋为1/2的标准模型物质粒子，还包含自旋为2的引力子，以及8个自旋为3/2的引力微子（gravitino）。如果标准模型真的与N=8超引力相关，那么这种关联或许能为解决理论物理中最艰难的问题——如何统一引力与粒子物理——提供线索。

令人惊讶的是，经过40年的加速器实验研究，物理学家至今仍未发现任何新物质粒子，N=8超引力仍然是唯一一个能解释“为什么标准模型中正好有6个夸克和6个轻子”的理论框架。

粒子物理学标准模型描述了基本粒子的属性和它们之间的相互作用。

然而，若要将N=8超引力直接对应到标准模型时，会存在一些问题——最主要的一个问题是：它预测的夸克和轻子的电荷，相较于已知值偏移了±1/6，比如电子电荷被预测为-5/6，而不是-1。

理论修正与新候选者的诞生

2018年，华沙大学的Krzysztof Meissner和马克斯·普朗克引力物理研究所的Hermann Nicolai重拾盖尔曼的设想，并对其思路进行了改进，突破了N=8超引力的限制，最终得到了与标准模型一致的电荷值。

他们的修改指向一个更深层次、数学上鲜为人知的“无限对称性”——K(E10)，它甚至可能取代标准模型中的传统对称性。

在接下来的研究中，他们指出，这一修正带来了一个令人意想不到的可能性：暗物质或许并非我们一直设想的“电中性粒子”，而是一种质量可能极其巨大、接近普朗克尺度，而且带电的引力微子——其中6个带有 ±1/3 电荷，2个带有 ±2/3 电荷。

尽管这些引力微子的质量极其庞大，但无法发生衰变，因此它们可以在宇宙中稳定存在。Meissner和Nicolai由此提出，那两个带±2/3电荷的引力微子，可能正是暗物质的组成部分。

探测的可能与挑战

虽然这类假想粒子与此前所有的候选粒子都大不相同，但它或许能为破解暗物质之谜开辟一条全新的思路。

由于它与普通物质存在相互作用，因此原则上可以被直接探测。但难度在于，它的丰度很低——粗略估算在太阳系中平均每一万立方千米的空间中才有一个，因此现有的探测器几乎没有可能观测到它。

2024年，Meissner和Nicolai在《欧洲物理学杂志》发表了一篇论文，指出使用基于闪烁体的中微子探测器，可能具备探测这些超重、带电的引力微子的潜力。而在所有现有和在建的探测器中，我国的JUNO最有潜力。

JUNO的主要任务是研究中微子的性质，它由一个直径约40米的球形容器构成，内部装有2万吨液体闪烁体，并在外部环绕4万多个光电倍增管来捕捉微弱信号。这一设计不仅能满足中微子研究的需求，也为寻找像引力微子这样的暗物质候选者提供了独特条件。

中微子探测器中的独特信号

现在，在最新发表于《物理评论研究》的论文中，Meissner和Nicolai 及其合作者首次详细分析了如果引力微子真的存在，那么它们在JUNO，以及未来的液氩探测器（如深层地下中微子实验DUNE）中可能呈现出的特征。

这篇论文不仅论述了物理与化学的理论背景，还对引力微子穿过探测器时在不同速度和轨迹下的表现进行了高精度模拟。这类模拟需要先进的量子化学知识和大量计算资源，并且必须考虑各种可能的背景噪声，例如液体闪烁体中放射性碳-14的衰变、光电倍增管的暗噪声等。

结果显示，如果配合合适的软件处理，引力微子通过探测器时会产生一种独一无二的信号，完全不同于任何已知粒子。

当一个超重荷电引力微子穿过液体闪烁体时，会激发出光子，在其轨迹上形成特有的“辉光”。从而产生可被探测器记录的信号。（图/K. Beil, Formgeber/Milde Science Communication）

具体来说，他们所提出的观测方法并非基于常见的电离效应，而是基于一种“辉光”。这种辉光源于超重引力微子穿过大型中微子实验站的探测流体时产生的光子。根据计算，这种辉光能持续几微秒到几百微秒，并会在探测器中留下清晰的特征轨迹。

在JUNO中，寻找引力微子的工作可以与中微子探测并行进行，互不干扰。而闪烁体的量子化学特性及其独特性质，将在预测的辉光效应中发挥关键作用。

自然力统一的新契机

研究人员表示，如果能够探测到超重引力微子，将意味着人类在探索引力与粒子的统一理论道路上迈出了重要一步。由于这些粒子的质量被预测在普朗克质量的量级，它们的探测将成为普朗克尺度物理的首个直接证据，从而为自然界的所有基本力的统一提供宝贵的实验证据。

#参考来源：

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

#图片来源：

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