尋找引力微子！

一個未解的謎題

暗物質的本質是物理學中最深奧的謎團之一。從提出新的基本粒子，到修正愛因斯坦的廣義相對論，科學家已經為揭示暗物質究竟是什么提出了許多想法。

在粒子物理學領域，超對稱粒子、超輕類軸子粒子以及更重的弱相互作用大質量粒子（WIMP）都被視為潛在的候選粒子，它們與普通物質的相互作用都極其微弱。在過去40年里，科學家已經開展了廣泛的實驗來尋找這些粒子，但都未能成功。

幾年前，在一個統一粒子物理與引力的理論框架中，有科學家提出了與以往設想完全不同的新型暗物質候選者——超重荷電引力微子（superheavy charged gravitino）。

近日，一篇發表在《物理評論研究》的論文指出，新一代地下探測器，尤其是即將投入運行的江門中微子實驗站（JUNO），極為適合用于探測引力微子。通過結合基本粒子物理與先進量子化學的模擬計算，研究團隊表明：這類引力微子可以在中微子探測器中留下的獨一無二、清晰可辨的信號。

N=8 超引力與標準模型

1981年，物理學家默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）注意到一個驚人的巧合：標準模型中的所有夸克和輕子——竟然自然地出現在一個由純數學構建的理論里，即擁有“最大對稱性”的“N=8超引力”。

N=8超引力除了包含這些自旋為1/2的標準模型物質粒子，還包含自旋為2的引力子，以及8個自旋為3/2的引力微子（gravitino）。如果標準模型真的與N=8超引力相關，那么這種關聯或許能為解決理論物理中最艱難的問題——如何統一引力與粒子物理——提供線索。

令人驚訝的是，經過40年的加速器實驗研究，物理學家至今仍未發現任何新物質粒子，N=8超引力仍然是唯一一個能解釋“為什么標準模型中正好有6個夸克和6個輕子”的理論框架。

粒子物理學標準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超引力直接對應到標準模型時，會存在一些問題——最主要的一個問題是：它預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重拾蓋爾曼的設想，并對其思路進行了改進，突破了N=8超引力的限制，最終得到了與標準模型一致的電荷值。

他們的修改指向一個更深層次、數學上鮮為人知的“無限對稱性”——K(E10)，它甚至可能取代標準模型中的傳統對稱性。

在接下來的研究中，他們指出，這一修正帶來了一個令人意想不到的可能性：暗物質或許并非我們一直設想的“電中性粒子”，而是一種質量可能極其巨大、接近普朗克尺度，而且帶電的引力微子——其中6個帶有 ±1/3 電荷，2個帶有 ±2/3 電荷。

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

探測的可能與挑戰

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之謎開辟一條全新的思路。

由于它與普通物質存在相互作用，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，因此現有的探測器幾乎沒有可能觀測到它。

2024年，Meissner和Nicolai在《歐洲物理學雜志》發表了一篇論文，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。而在所有現有和在建的探測器中，我國的JUNO最有潛力。

JUNO的主要任務是研究中微子的性質，它由一個直徑約40米的球形容器構成，內部裝有2萬噸液體閃爍體，并在外部環繞4萬多個光電倍增管來捕捉微弱信號。這一設計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候選者提供了獨特條件。

中微子探測器中的獨特信號

現在，在最新發表于《物理評論研究》的論文中，Meissner和Nicolai 及其合作者首次詳細分析了如果引力微子真的存在，那么它們在JUNO，以及未來的液氬探測器（如深層地下中微子實驗DUNE）中可能呈現出的特征。

這篇論文不僅論述了物理與化學的理論背景，還對引力微子穿過探測器時在不同速度和軌跡下的表現進行了高精度模擬。這類模擬需要先進的量子化學知識和大量計算資源，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。

結果顯示，如果配合合適的軟件處理，引力微子通過探測器時會產生一種獨一無二的信號，完全不同于任何已知粒子。

當一個超重荷電引力微子穿過液體閃爍體時，會激發出光子，在其軌跡上形成特有的“輝光”。從而產生可被探測器記錄的信號。（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，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驗站的探測流體時產生的光子。根據計算，這種輝光能持續幾微秒到幾百微秒，并會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行，互不干擾。而閃爍體的量子化學特性及其獨特性質，將在預測的輝光效應中發揮關鍵作用。

自然力統一的新契機

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一理論道路上邁出了重要一步。由于這些粒子的質量被預測在普朗克質量的量級，它們的探測將成為普朗克尺度物理的首個直接證據，從而為自然界的所有基本力的統一提供寶貴的實驗證據。

#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)