根據宇宙學家的理論，宇宙25.8%是由暗物質組成，暗物質的存在基本上只能通過引力來顯示。這種物質由什麼組成仍然是個謎。波茨坦馬普引力物理研究所所長赫爾曼·尼科萊和華沙大學同事Krzysztof Meissner現在提出了一個新的候選者——超重引力子。這個仍然是假設的粒子存在源於一個假設，該假設試圖解釋粒子物理標準模型中觀測到的夸克和輕子光譜可能是如何從一個基本理論中產生。此外，研究人員還描述了一種追蹤這種粒子的可能方法。
粒子物理學標準模型包括物質的組成部分和結合在一起的力，有六種不同的夸克和六種輕子被分成三個「家族」。然而，普通物質和包括我們身體最終只由來自第一家族的三個粒子組成：上夸克和下夸克以及電子，電子是輕子家族的一員。
到目前為止，這個長期建立的標準模型一直保持不變，歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)大約十年前投入使用，主要目的是探索未來可能存在的東西。然而，經過10年的數據收集，科學家們除了希格斯玻色子之外，還沒有發現任何新的基本粒子。
儘管人們普遍持有相反的預期，換句話說，迄今為止，大型強子對撞機測量結果未能提供任何超出標準模型的「新物理學」線索。這些發現與這個模型許多擴展理論形成了鮮明的對比，這些擴展理論預測了大量的新粒子。在發表在《物理評論快報》上一項研究中，Hermann Nicolai和Krzysztof Meissner提出了一個新的假設，該假設試圖解釋為什麼只有已知的基本粒子，才作為自然界物質的基本組成部分出現，以及為什麼與之前的理論相反。在當前或可想像的未來實驗能量範圍內，沒有新的粒子被期待出現。
此外，兩位研究人員假設存在超大質量引力子，這可能是暗物質極不尋常的候選者。在發表在《物理評論D》上的第二篇論文中，他們還提出了一項關於如何追蹤這些引力子的理論。在研究中，Nicolai和Meissner採用了諾貝爾獎得主Murray Gell-Mann基於「N=8超重力」理論的舊觀點。提出的一個關鍵因素是一種新型無限維對稱，旨在解釋三個家族已知夸克和輕子的觀測光譜。研究假設實際上沒有為普通物質產生額外的粒子，而這些粒子在加速器實驗中沒有出現，因此需要加以駁斥。
相比之下，該假設在理論上可以準確解釋我們所觀測到的，特別是夸克和輕子在三個家族中的複製。然而，宇宙過程不能完全用已經知道的普通物質來解釋。這一現象的一個標誌是星系：星系高速旋轉，而宇宙中可見的物質（只占宇宙物質的5%）不足以將它們聚集在一起。然而，到目前為止，沒有人知道其餘的是由什麼組成，儘管有許多理論。因此，暗物質的性質是宇宙學中最重要且懸而未決的問題之一。人們普遍認為暗物質是由基本粒子組成，而目前還不可能探測到這種粒子，因為它幾乎完全是靠引力與普通物質相互作用。
新研究模型為這類暗物質粒子提供了一個新的候選粒子，儘管性質與目前討論的所有候選粒子(如軸子或弱相互作用大質量粒子)完全不同。後者與已知物質的相互作用非常微弱。同樣也適用於非常輕的引力子，它們被反覆地提出作為與低能量超對稱性有關的暗物質候選體。然而，目前理論走向了一個完全不同的方向，它不再賦予超對稱一個主要的角色，即使該理論是從最大N=8超重力下降。特別是，該預測了超重引力子的存在，它不像通常的候選粒子，也不像之前考慮的輕引力子，它也會與普通物質發生強烈的電磁作用。
巨大質量意味著這些粒子只能以非常稀薄的形式出現在宇宙中，否則，它們就會「過度接近」宇宙，從而導致其早期崩潰。根據馬克斯·普朗克研究人員所說：要解釋宇宙和星系中暗物質的含量，實際上並不需要很多這樣的粒子——每10000立方千米有一個粒子就足夠了，假定的粒子質量位於普朗克質量的區域，即大約1億分之一千克。相比之下，質子和中子（構成原子核的基本元素）要輕10萬億倍，在星系間空間，密度會更低。這些超重引力子的穩定性取決於不同尋常的量子數(電荷)。
具體地說，在標準模型中根本沒有相應電荷的最終狀態可以讓這些引力子衰變——不然，它們會在大爆炸後不久消失。與已知物質的強電磁相互作用可能使這些暗物質粒子更容易被追蹤，儘管它們極其罕見。一種可能性是利用地下深處專門的探測器來尋找它們，因為這些粒子的移動速度比光速慢得多，而普通的基本粒子則來自宇宙輻射。然而，由於巨大的質量，就像一顆炮彈，一群蚊子阻擋不了它，所以它們可以毫不費力地穿透地球。這一事實讓研究人員有了將地球本身作為「古探測器」的想法：地球已經在星際空間中大約45億年了。
在此期間，地球一定被這些巨大的引力子穿透了。在這個過程中，這些粒子應該在岩石中留下長而直的電離軌跡，但要將它們與已知粒子造成的軌跡區分開來可能並不容易。眾所周知，電離輻射會導致晶體結構中的晶格缺陷。有可能在晶體中發現這種電離痕跡的遺蹟，這種痕跡在數百萬年的時間裡保持穩定。由於其長時間的「暴露」，這樣的搜索策略，暗物質在星系內部不是均勻分布而是受局部密度波動影響的情況下也可能會成功——這也可以解釋到目前為止，尋找更傳統暗物質候選者失敗的原因。
博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學會
參考期刊《物理評論D》《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.091601
DOI: 10.1103/PhysRevD.100.035001
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