En las teorías de supergravedad que combinan la relatividad general y la supersimetría , el gravitino (
GRAMO
) es el fermión de calibre, compañero supersimétrico del supuesto gravitón . Se lo ha sugerido como candidato a materia oscura .
Si existe, es un fermión de espín .3/2 y por lo tanto obedece a la ecuación de Rarita–Schwinger . El campo gravitino se escribe convencionalmente como ψ μα con μ = 0, 1, 2, 3 un índice de cuatro vectores y α = 1, 2 un índice de espinor . Para μ = 0 se obtendrían modos de norma negativos, como con cada partícula sin masa de espín 1 o superior. Estos modos no son físicos y, por coherencia, debe haber una simetría de calibre que cancele estos modos: δψ μα = ∂ μ ε α , donde ε α ( x ) es una función de espinor del espacio-tiempo. Esta simetría de calibre es una transformación de supersimetría local y la teoría resultante es la supergravedad .
Así, el gravitino es el fermión que media las interacciones de supergravedad, de la misma manera que el fotón media el electromagnetismo y el gravitón presumiblemente media la gravitación . Siempre que se rompe la supersimetría en las teorías de supergravedad, adquiere una masa que está determinada por la escala a la que se rompe la supersimetría . Esto varía mucho entre los diferentes modelos de ruptura de la supersimetría, pero si la supersimetría resuelve el problema de la jerarquía del Modelo Estándar , el gravitino no puede ser más masivo que aproximadamente 1 TeV /c 2 .
Murray Gell-Mann y Peter van Nieuwenhuizen pretendían que la partícula de espín 3/2 asociada con la supergravedad se llamara "hemitrión", que significa "mitad de 3", sin embargo, los editores de Physical Review no estaban muy contentos con el nombre y en su lugar sugirieron "partícula de Rarita-Schwinger sin masa" para su publicación de 1977. [1] [2] El nombre actual de gravitino fue sugerido por Sidney Coleman y Heinz Pagels , [3] aunque este término fue acuñado originalmente en 1954 por Felix Pirani para describir una clase de excitaciones de energía negativa con masa en reposo cero. [4]
Si el gravitino tiene de hecho una masa del orden de TeV, entonces crea un problema en el modelo estándar de la cosmología , al menos ingenuamente. [5] [6] [7] [8]
Una opción es que el gravitino sea estable. Este sería el caso si el gravitino es la partícula supersimétrica más ligera y la paridad R se conserva (o casi). En este caso, el gravitino es un candidato a materia oscura ; como tal, los gravitinos se habrían creado en el universo primitivo. Sin embargo, se puede calcular la densidad de los gravitinos y resulta ser mucho mayor que la densidad de materia oscura observada .
La otra opción es que el gravitino sea inestable. Por lo tanto, los gravitinos mencionados anteriormente se desintegrarían y no contribuirían a la densidad de materia oscura observada . Sin embargo, dado que se desintegran solo a través de interacciones gravitacionales, su vida útil sería muy larga, del orden de M pl 2 / m 3 en unidades naturales , donde M pl es la masa de Planck y m es la masa de un gravitino. Para una masa de gravitino del orden de TeV esto sería10 5 s , mucho más tarde que la era de la nucleosíntesis . Al menos un posible canal de desintegración debe incluir un fotón , un leptón cargado o un mesón , cada uno de los cuales sería lo suficientemente energético como para destruir un núcleo si choca con uno. Se puede demostrar que se crearán suficientes partículas energéticas de este tipo en la desintegración como para destruir casi todos los núcleos creados en la era de la nucleosíntesis , en contraste con las observaciones. De hecho, en tal caso el universo habría estado hecho solo de hidrógeno , y la formación de estrellas probablemente sería imposible.
Una posible solución al problema del gravitino cosmológico es el modelo de supersimetría dividida , donde la masa del gravitino es mucho mayor que la escala TeV, pero otros socios supersimétricos fermiónicos de las partículas del modelo estándar ya aparecen en esta escala.
Otra solución es que la paridad R se viole ligeramente y el gravitino sea la partícula supersimétrica más ligera . Esto hace que casi todas las partículas supersimétricas en el Universo primitivo se desintegraran en partículas del Modelo Estándar a través de interacciones que violan la paridad R mucho antes de la síntesis de los núcleos primordiales; sin embargo, una pequeña fracción se desintegra en gravitinos, cuya vida media es órdenes de magnitud mayor que la edad del Universo debido a la supresión de la tasa de desintegración por la escala de Planck y los pequeños acoplamientos que violan la paridad R. [9]