Gravitino

Gravitino

Cấu trúc	Hạt cơ bản
Nhóm	Fermion
Tương tác cơ bản	Lực hấp dẫn
Ký hiệu	G͂
Điện tích	0 e
Spin	3/2

Gravitino

Trong thuyết siêu hấp dẫn (thuyết kết hợp giữa thuyết tương đối và siêu đối xứng), gravitino (G͂) là một fermion siêu đối xứng của hạt giả thuyết graviton. Nó được đề nghị là một ứng viên cho vật chất tối.

Nếu hạt gravitino tồn tại, nó là một fermion có spin ${\frac {3}{2}}\hbar$ và điều đó khiến nó tuân theo phương trình Rarita-Schwinger. Trường gravitino thường đựoc viết dưới dạng hàm ψ_μα với 4 chỉ số vector μ = 0, 1, 2, 3 và chỉ số spinor α = 1, 2. Nếu μ = 0, ta sẽ nhận được trạng thái tiêu chuẩn âm (negative norm modes), giống như mọi hạt không khối lượng có spin 1$\hbar$ hoặc cao hơn. Các trạng thái này thì phi vật lý, và để đảm bảo tính nhất quán, cần phải có một đối xứng chuẩn triệt tiêu các trạng thái này: $\delta \psi _{\mu \alpha }=\partial _{\mu }\varepsilon _{\alpha }$, với $\varepsilon _{\alpha }(X)$ là một hàm spinor của không - thời gian. Tính đối xứng chuẩn này là một phép biến đổi siêu đối xứng cục bộ, và lý thuyết thu được là siêu trọng lực (supergravity).

Gravitino là fermion lượng tử trung gian cho các tương tác siêu trọng lực, tương tự như photon là lượng tử trung gian của điện từ, và graviton là lượng tử trung gian của tương tác hấp dẫn. Bất cứ khi nào tính siêu đối xứng bị phá vỡ trong thuyết siêu hấp dẫn, nó sẽ có được một khối lượng được xác định bởi phạm vi mà tính siêu đối xứng bị phá vỡ. Điều này nói lên sự khác nhau giữa mô hình khác nhau của phá vỡ siêu đối xứng (supersymmetry breaking), nhưng nếu tính siêu đối xứng là để giải quyết các hệ thống cấp bậc vấn đề của Mô hình chuẩn, khối lượng của các gravitino không được lớn hơn khoảng 1 TeV/c².

Gravitino và các vấn đề trong vũ trụ học

Nếu gravitino thực sự có khối lượng cỡ 1 TeV/$c^{2}$, với các tính toán đơn giản, nó sẽ tạo ra vấn đề trong mô hình chuẩn của vũ trụ học.

Một giải pháp là gravitino ổn định. Đây sẽ là trường hợp nếu gravitino là hạt nhẹ siêu đối xứng và R - tương đương (R-parity) được ổn định. Trong trường hợp này các gravitino là một bằng chứng cho vật chất tối, như vậy gravitino sẽ được tạo ra vào thời kỳ rất sớm trong vũ trụ. Tuy nhiên, chúng ta có thể tính toán mật độ của gravitino trong vũ trụ và nó có thể quan trọng hơn nhiều so với những nghiên cứu về vật chất tối.

Giải pháp khác là các gravitino không ổn định. Vì vậy, các gravitino sẽ phân rã và không đóng góp vào nghiên cứu mật độ vật chất tối. Tuy nhiên, chúng chỉ phân rã thông qua tương tác hấp dẫn với thời gian rất dài, theo công thức M_pl² ∕ m³ với:

• M_pl là khối lượng Planck
• m là khối lượng của một gravitino.

Với khối lượng gravitino cỡ 1 TeV/$c^{2}$ nó sẽ tốn $10^{5}$ s, muộn hơn nhiều so với sự kiện tổng hợp hạt nhân trong Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Các sản phẩm phân rã phải bao gồm cả một photon, một lepton điện tích hoặc một meson sẽ có năng lượng đủ lớn để phá hủy những hạt nhân đã hình thành sau sự kiện tổng hợp hạt nhân, khiến cho vũ trụ chỉ còn lại hydro và việc hình thành sao sẽ gần như không thể, gây mâu thuẫn với các quan sát về vũ trụ hiện nay khi vẫn có nhiều nguyên tố nhẹ.

Giải pháp khả dĩ cho các vấn đề vũ trụ gravitino là mô hình tiêu chuẩn siêu đối xứng, nơi gravitino có khối lượng cao hơn rất nhiều so với thang đo TeV, nhưng các hạt fermion khác trong mô hình chuẩn lại xuất hiện ở thang đo này.

Một giải pháp khác là tuơng tác vi phạm các nguyên tắc đối xứng R-parity (R-parity violating), và gravitino là hạt nhẹ siêu đối xứng. Điều này làm cho hầu như tất cả các hạt siêu đối xứng của vũ trụ thời kỳ đầu phân rã thành các hạt trong Mô hình chuẩn (electron, photon, quark,...) trước khi các hạt nhân nguyên thủy được tổng hợp; chỉ có một phần nhỏ các hạt siêu đối xứng phân rã thành các hạt gravitino, với chu kỳ bán rã thậm chí lớn hơn tuổi của vũ trụ hiện nay do sự kiềm hãm tốc độ phân rã bởi thang Planck (Planck scale) và tỉ lệ các liên kết vi phạm R-parity cũng rất nhỏ.

Xem thêm

• Graviton
• Tương tác hấp dẫn
• Thuyết siêu hấp dẫn
• Siêu đối xứng phá vỡ