Gravitino

En las teorías de supergravedad que combinan la relatividad general y la supersimetría , el gravitino ( G͂ ) es el fermión de gauge supersimétrico compañero del hipotético gravitón . Se ha sugerido como candidato para la materia oscura .

Si existe, es un fermión de espín ⁠ 3 / 2 ⁠ ħ y por lo tanto obedece la ecuación de Rarita–Schwinger . El campo gravitino se escribe convencionalmente como ψ _μα con μ = 0, 1, 2, 3 un índice de cuadrivector y α = 1, 2 un índice de espinor . Para μ = 0 se obtendrían modos de norma negativa, como con toda partícula sin masa de espín 1 ħ o superior. Estos modos no son físicos, y para consistencia debe haber una simetría de gauge que cancele estos modos: δψ _μα = ∂ _μ ε _α , donde ε _α ( x ) es una función espinorial del espaciotiempo. Esta simetría de gauge 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, al igual 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 enormemente entre los diferentes modelos de ruptura de supersimetría, pero si la supersimetría ha de resolver el problema de jerarquía del Modelo Estándar , el gravitino no puede ser más masivo que aproximadamente 1 TeV / c² ^. 

Murray Gell-Mann y Peter van Nieuwenhuizen pretendían que la partícula de espín 3/2 asociada con la supergravedad se llamara «hemitrión», que significa «medio 3»; sin embargo, los editores de Physical Review no estaban de acuerdo con el nombre y sugirieron en su lugar «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 realmente una masa del orden de 1  TeV/ ^c² , entonces crea un problema en el modelo estándar de cosmología , al menos ingenuamente. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Una posibilidad es que el gravitino sea estable. Esto ocurriría si el gravitino fuera la partícula supersimétrica más ligera y la paridad R se conservara (o casi). En este caso, el gravitino sería un candidato a materia oscura ; como tal, los gravitinos se habrían creado en el universo primitivo. Sin embargo, si se calcula la densidad de gravitinos, 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 M²pl   / m³ , donde Mpl es la masa de Planck y m es la masa de un gravitino. Para una masa _de gravitino del orden de 1 ^TeV / c² , esto sería 10⁵ s  , mucho después de 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 la energía suficiente para destruir un núcleo si lo impactara. Se puede demostrar que se crearían suficientes partículas energéticas 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 compuesto únicamente de hidrógeno , y la formación estelar 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 de TeV, pero otros compañeros 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 provoca que casi todas las partículas supersimétricas del Universo temprano se desintegren en partículas del Modelo Estándar mediante 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 ]}