Гравітино

Гравітино — калібрувальний ферміон, що є суперсиметричним партнером гіпотетичного гравітона. Гравітино може бути одним з кандидатів у темну матерію. Якщо гравітино існує, воно є ферміоном зі спіном 3/2, а отже задовольняє рівнянню Раріти-Швінгера. Гравітино переносить взаємодії супергравітації, так само як фотон переносить електромагнетизм і гравітон повинен переносити гравітацію. Хоча у теоріях супергравітації суперсиметрія порушена, повинне існувати деяке значення маси гравітино, що визначається масштабом порушення суперсиметрії. Дана маса сильно відрізняється у різних моделях порушення суперсиметрії, але якщо суперсиметрія розв'язує проблему ієрархії у Стандартній моделі, маса гравітино не може бути більше за 1 ТеВ/с².

Якщо гравітино має масу порядку 1 ТеВ, воно створює проблему у стандартній космологічній моделі. По-перше, гравітино може бути стабільним. Це можливо, якщо воно є найлегшою суперсиметричною частинкою і R-парність зберігається. У цьому випадку гравітино є кандидатом у темну матерію, оскілько вони мали виникати у дуже ранньому всесвіті. Однак, якщо розрахувати відповідну густину гравітино, вона виявляється набагато більше спостережуваної густини темної матерії. По-друге, гравітино може бути нестабільним. Такі гравітино будуть розпадатися і не будуть робити внеску у спостережувану густину темної матерії. Однак, оскільки гравітино можуть розпадатися лише внаслідок гравітаційної взаємодії, для маси 1 ТеВ їх час розпаду має бути дуже великим (більше доби), набагато більше тривалості нуклеосинтезу. Щонайменше один з каналів розпаду має включати фотон, заряджений лептон або мезон. Будь-яка з цих частинок може зруйнувати ядро при зіткненні. Можна показати, що таким чином мають бути зруйновані усі ядра, що утворились у нуклеосинтезі, а це не відповідає спостереженням. Дійсно, у такому випадку Всесвіт буде складатися виключно з водню і зореутворення напевне буде неможливим.

Одним з можливих розв'язків проблеми космологічних гравітино є модель розщепленої суперсиметрії, у якій маса гравітино набагато більше 1 ТеВ, але тоді на цьому масштабі мають виникати ферміонні суперсиметричні партнери інших частинок стандартної моделі.

Інший розв'язок полагає у тому, що R-парність слабко порушена і гравітино є найлегшою суперсиметричною частинкою. Це призведе до того, що майже усі суперсиметричні частинки у ранньому всесвіті розпадуться на частинки Стандартної Моделі у взаємодіях з порушенням R-парності значно раніше синтезу первинних ядер. Однак мала частина розпадеться на гравітино, чий час життя на порядки більше віку Всесвіту відповідно до подавлення темпу розпаду планківським масштабом і слабкістю взаємодії з порушенням R-парності.

Посилання

• Asaka T., Hamaguchi K., Suzuki K. Cosmological gravitino problem in gauge-mediated supersymmetry breaking models // Physical Letters B. — 2000. — № 490. — С. 136.
• Borgani S., Masiero A., Yamaguchi M. Light gravitinos as mixed dark matter // Physical Letters B. — 1996. — № 386. — С. 189.
• Cahill-Rowley M. W., Hewett J. L., Hoeche S., Ismail A., Rizzo T. G. The new look pMSSM with neutralino and gravitino LSPs // The European Physical Journal C. — 2012. — № 72. — 2156.
• Cerdeño D.G., Choi K., Jedamzik K., Roszkowski L., Ruiz de Austri R. Gravitino dark matter in the constrained minimal supersymmetric standard model with improved constraints from big bang nucleosynthesis // JCAP. — 2006. — № 6. — С. 5.
• Cyburt R.H., Ellis J., Fields B.D., Luo F., Olive K.A., Spanos V.C. Nucleosynthesis constraints on a massive gravitino in neutralino dark matter scenarios // JCAP. — 2009. — № 10. — С. 21.
• Diaz-Cruz J.L., Ellis J., Olive K.A., Santoso Y. On the feasibility of a stop NLSP in gravitino dark matter scenarios // JHEP. — 2007. — № 5. — С. 3.
• Dine M., Kitano R., Morisse A., Shirman Y. Moduli decays and gravitinos // Physical Review D. — 2006. — № 73L. — С. 3518.
• Ellis J., Olive K.A., Santoso Y., Spanos V.C. Gravitino dark matter in the CMSSM // Physics Letters B. — 2004. — № 588. — С. 7.
• Feng J.L., Su S., Takayama F. Supergravity with a gravitino lightest supersymmetric particle // Physical Review D. — 2004. — № 70g. — С. 5019.
• Ishiwata K., Matsumoto S., Moroi T. High energy cosmic rays from the decay of gravitino dark matter // Physical Review D. — 2008. — № 78f. — С. 3505.
• Pradler J., Steffen F.D. Implications of catalyzed BBN in the CMSSM with gravitino dark matter // Physics Letters B. — 2008. — № 666. — С. 181.
• Steffen F.D. Dark-matter candidates. Axions, neutralinos, gravitinos, and axinos // EPJC. — 2009. — № 59. — С. 557.
• Steffen F.D. Gravitino dark matter and cosmological constraints // JCAP. — 2006. — № 9. — С. 1.