Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Гипотетический суперпартнер гравитона
Hypothetical superpartner to the graviton
В теориях сверхгравитации, объединяющих общую теорию относительности и суперсимметрию, гравитино является суперсимметричным партнером гипотетического гравитона. Его рассматривают как кандидата в темную материю. Если оно существует, то это фермион со спином 3/2 и, следовательно, подчиняется уравнению Рарриты — Швингера. Поле гравитино обычно записывается как ψμα, где μ = 0, 1, 2, 3 – четырехвекторный индекс, а α = 1, 2 – спинорный индекс. Для частиц со спином 3/2 возникают моды с отрицательной нормой, как и для любой безмассовой частицы со спином 1 или выше. Эти моды нефизичны, и для обеспечения согласованности должна существовать калибровочная симметрия, которая их исключает: δψμα = ∂μ εα, где εα(x) – спинорная функция пространства-времени. Эта калибровочная симметрия представляет собой локальное преобразование суперсимметрии, а результирующая теория – сверхгравитация. Таким образом, гравитино является фермионом, опосредующим взаимодействия сверхгравитации, подобно тому, как фотон опосредует электромагнитные взаимодействия, а гравитон, предположительно, опосредует гравитацию. При нарушении суперсимметрии в теориях сверхгравитации гравитино приобретает массу, определяемую масштабом нарушения суперсимметрии. Этот масштаб сильно различается в разных моделях нарушения суперсимметрии, но если суперсимметрия должна решить проблему иерархии Стандартной модели, масса гравитино не должна превышать примерно 1 ТэВ/c².
In supergravity theories combining general relativity and supersymmetry, the gravitino is the gauge fermion supersymmetric partner of the hypothesized graviton. It has been suggested as a candidate for dark matter. If it exists, it is a fermion of spin and therefore obeys the Rarita–Schwinger equation. The gravitino field is conventionally written as ψμα with 1=μ = 0, 1, 2, 3 a four vector index and 1=α = 1, 2 a spinor index. For one would get negative norm modes, as with every massless particle of spin 1 or higher. These modes are unphysical, and for consistency there must be a gauge symmetry which cancels these modes: 1=δψμα = ∂μεα, where εα(x) is a spinor function of spacetime. This gauge symmetry is a local supersymmetry transformation, and the resulting theory is supergravity. Thus the gravitino is the fermion mediating supergravity interactions, just as the photon is mediating electromagnetism, and the graviton is presumably mediating gravitation. Whenever supersymmetry is broken in supergravity theories, it acquires a mass which is determined by the scale at which supersymmetry is broken. This varies greatly between different models of supersymmetry breaking, but if supersymmetry is to solve the hierarchy problem of the Standard Model, the gravitino cannot be more massive than about 1 TeV/c2.
История
Мюррей Гелл-Манн и Питер ван Ньювенхьюзен планировали назвать частицу со спином 3/2, связанную со сверхгравитацией, "гемитрионом", что означает "половина от трёх", однако редакторы журнала Physical Review не одобрили это название и вместо него предложили термин "безмассовая частица Рарриты — Швингера" для их публикации 1977 года. Современное название "гравитино" было предложено Сидни Колеманом и Хайнцем Пейджелем, хотя этот термин впервые был введен в 1954 году Феликсом Пирани для описания класса возбуждений с отрицательной энергией и нулевой массой покоя.
Murray Gell Mann and Peter van Nieuwenhuizen intended the spin 3/2 particle associated with supergravity to be called the 'hemitrion', meaning 'half 3', however the editors of Physical Review were not keen on the name and instead suggested 'massless Rarita–Schwinger particle' for their 1977 publication. The current name of gravitino was instead suggested by Sidney Coleman and Heinz Pagels, although this term was originally coined in 1954 by Felix Pirani to describe a class of negative energy excitations with zero rest mass.
Космологическая проблема гравитино
Если гравитино действительно имеет массу порядка ТэВ, то это создает проблему в стандартной космологической модели, по крайней мере, на первый взгляд. Один из вариантов – гравитино стабильно. Это будет так, если гравитино является самой легкой суперсимметричной частицей и R-четность сохраняется (или почти сохраняется). В этом случае гравитино является кандидатом на роль темной материи; следовательно, такие гравитино были созданы в очень ранней Вселенной. Однако, можно рассчитать плотность гравитино, и оказывается, что она значительно превышает наблюдаемую плотность темной материи. Другой вариант – гравитино нестабильно. Тогда вышеупомянутые гравитино будут распадаться и не будут вносить вклад в наблюдаемую плотность темной материи. Однако, поскольку они распадаются только посредством гравитационных взаимодействий, их время жизни будет очень велико, порядка Mpl² / m³ в естественных единицах, где Mpl – масса Планка, а m – масса гравитино. Для массы гравитино порядка ТэВ это составит e=5, что намного позже эпохи нуклеосинтеза. По крайней мере, один из возможных каналов распада должен включать либо фотоны, заряженные лептоны, либо мезоны, каждый из которых будет достаточно энергичен, чтобы разрушить ядро при столкновении с ним. Можно показать, что в процессе распада образуется достаточное количество таких энергичных частиц, чтобы разрушить почти все ядра, образовавшиеся в эпоху нуклеосинтеза, что противоречит наблюдениям. Фактически, в таком случае Вселенная состояла бы только из водорода, и формирование звезд, вероятно, было бы невозможно. Одним из возможных решений космологической проблемы гравитино является модель расщепленной суперсимметрии, в которой масса гравитино намного превышает ТэВ-масштаб, но другие фермионные суперсимметричные партнеры частиц Стандартной модели уже появляются в этом масштабе. Другое решение заключается в том, что R-четность слегка нарушена, и гравитино является самой легкой суперсимметричной частицей. Это приводит к тому, что почти все суперсимметричные частицы в ранней Вселенной распадаются на частицы Стандартной модели посредством взаимодействий, нарушающих R-четность, задолго до синтеза первичных ядер; однако, небольшая доля распадается на гравитино, время полураспада которого на много порядков превышает возраст Вселенной из-за подавления скорости распада планковским масштабом и малыми константами, нарушающими R-четность.
If the gravitino indeed has a mass of the order of TeV, then it creates a problem in the standard model of cosmology, at least naïvely. One option is that the gravitino is stable. This would be the case if the gravitino is the lightest supersymmetric particle and R parity is conserved (or nearly so). In this case the gravitino is a candidate for dark matter; as such gravitinos will have been created in the very early universe. However, one may calculate the density of gravitinos and it turns out to be much higher than the observed dark matter density. The other option is that the gravitino is unstable. Thus the gravitinos mentioned above would decay and will not contribute to the observed dark matter density. However, since they decay only through gravitational interactions, their lifetime would be very long, of the order of Mpl2 / m3 in natural units, where Mpl is the Planck mass and m is the mass of a gravitino. For a gravitino mass of the order of TeV this would be e=5, much later than the era of nucleosynthesis. At least one possible channel of decay must include either a photon, a charged lepton or a meson, each of which would be energetic enough to destroy a nucleus if it strikes one. One can show that enough such energetic particles will be created in the decay as to destroy almost all the nuclei created in the era of nucleosynthesis, in contrast with observations. In fact, in such a case the universe would have been made of hydrogen alone, and star formation would probably be impossible. One possible solution to the cosmological gravitino problem is the split supersymmetry model, where the gravitino mass is much higher than the TeV scale, but other fermionic supersymmetric partners of standard model particles already appear at this scale. Another solution is that R parity is slightly violated and the gravitino is the lightest supersymmetric particle. This causes almost all supersymmetric particles in the early Universe to decay into Standard Model particles via R parity violating interactions well before the synthesis of primordial nuclei; a small fraction however decay into gravitinos, whose half life is orders of magnitude greater than the age of the Universe due to the suppression of the decay rate by the Planck scale and the small R parity violating couplings.