En las teorías de supergravedad que combinan la relatividad general y la supersimetría , el gravitino (
GRAMO
) es el compañero supersimétrico del fermión calibre del gravitón hipotético . Se ha sugerido como candidato a la materia oscura .
Si existe, es un fermión de espín. 3/2y por 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 ocurre 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 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 en las interacciones de supergravedad, del mismo modo que el fotón media en el electromagnetismo y el gravitón presumiblemente media en la gravitación . Siempre que se rompe la supersimetría en las teorías de supergravedad, adquiere una masa que está determinada por la escala en la que se rompe la supersimetría . Esto varía mucho entre los diferentes modelos de ruptura de la supersimetría, pero si la supersimetría debe resolver el problema de 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 spin-3/2 asociada con la supergravedad se llamara 'hemitrion', que significa 'mitad-3'; sin embargo, a los editores de Physical Review no les gustó 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 realmente tiene una masa del orden de TeV, entonces crea un problema en el modelo estándar de 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 candidato a materia oscura ; como tales, los gravitinos se habrán 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 tanto, los gravitinos mencionados anteriormente se desintegrarían y no contribuirían a la densidad de materia oscura observada . Sin embargo, como se desintegran únicamente mediante 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 tendría suficiente energía para destruir un núcleo si choca contra uno. Se puede demostrar que durante la desintegración se crearán suficientes partículas energéticas como para destruir casi todos los núcleos formados en la era de la nucleosíntesis , a diferencia de las observaciones. De hecho, en tal caso el universo habría estado hecho únicamente de hidrógeno y la formación de estrellas probablemente sería imposible.
Una posible solución al problema cosmológico del gravitino es el modelo de supersimetría dividida , donde la masa del gravitino es mucho mayor que la escala TeV, pero otros socios supersimétricos fermiónicos de 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 del Universo temprano se descompongan en partículas del modelo estándar a través de la paridad R, violando las interacciones 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]