Улучшенное моделирование, проведенное исследователями из Лаборатории Беркли, позволило оценить массу аксионов с большей точностью. Эти аксионы, образовавшиеся менее чем через одну миллиардную долю секунды после Большого взрыва, могут быть лучшими кандидатами на роль составных частей загадочной темной материи, которую мы еще не знаем.
Темная материя составляет большую часть материи во Вселенной, около 85%, но мы до сих пор не знаем, что это такое. До сих пор ее поиск был сосредоточен на массивных, компактных объектах в гало нашей и других галактик, в слабо взаимодействующих массивных частицах. Ни одна из них не проявила себя в качестве вероятного кандидата.
Исследователи подозревают, что темная материя состоит из частиц, о которых мы еще не знаем. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале , физики из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в сотрудничестве с учеными Массачусетского технологического института пришли к выводу, что эти частицы могут быть аксионами.
Используя новые вычислительные методы и Cori, один из крупнейших в мире суперкомпьютеров, профессор Беркли Бенджамин Сафди и его коллеги из Массачусетского технологического института смоделировали эпоху, в которой могли быть получены аксионы. Она берет свое начало через миллиардную долю миллиардной доли секунды после Большого взрыва, в результате которого возникла Вселенная, в которой мы живем. Созданные в большом количестве во время Большого взрыва, аксионные частицы все еще должны быть каким-то образом обнаружены в космосе. На самом деле их так и не нашли.
Поэтому возникает вопрос, уже поднятый в прошлом, на который сегодня указывает моделирование Сафди и его коллег: что, если аксионы были составляющими темной материи?
Аксион был предложен в 1978 году как новая элементарная частица, которая могла бы объяснить, почему спин нейтрона не предшествует и не осциллирует в электрическом поле. Согласно теории, именно аксион препятствует преобладанию спина нейтрона.
С 1980-х годов физики рассматривают аксион в качестве кандидата на темную материю, и уже начались первые попытки обнаружить аксионы. Во-первых, используя уравнения Стандартной модели (теория взаимодействия фундаментальных частиц) и Стандартной космологической модели (теория Большого взрыва), можно рассчитать точную массу аксиона. Однако уравнения настолько сложны, что до сих пор мы располагали лишь неточными оценками. В результате эксперименты, основанные на сложных радиоприемниках, называемых микроволновыми резонаторами, должны настраиваться на миллионы частотных каналов, чтобы попытаться найти тот, который соответствует массе аксиона.
Самая точная на сегодняшний день оценка массы аксиона
Теперь моделирование в Национальном исследовательском научном вычислительном центре (NERSC) Лаборатории Беркли показало, что масса аксиона более чем в два раза выше, чем считалось ранее. От 40 до 180 микроэлектронвольт (микроэВ) — это примерно десятимиллиардная часть массы электрона. Полученные данные позволяют предположить, что масса аксиона составляет около 65 микроэВ. С тех пор как физики начали искать аксион сорок лет назад, оценки массы сильно варьировались — от нескольких микроэВ до 500 микроэВ.
Оценка массы аксионов в очень малую величину определенно не позволяет обнаружить аксионы в микроволновой резонансной камере, которая является наиболее распространенным экспериментом по их обнаружению. Такой подход, конечно, не сможет их обнаружить. В этой связи Сафди объясняет:
«Камера должна быть меньше нескольких сантиметров в поперечнике, чтобы обнаружить более высокочастотную волну от аксиона большей массы. Этот объем будет слишком мал, чтобы захватить достаточно аксионов, чтобы сигнал поднялся над шумом. Наша работа дает самую точную на сегодняшний день оценку массы аксиона и указывает на конкретный диапазон масс, который в настоящее время не исследован в лаборатории. Я думаю, что имеет смысл сосредоточить экспериментальные усилия на массах аксионов от 40 до 180 микроэВ. Однако предстоит проделать большую работу, чтобы выйти за пределы этого диапазона масс«.
Моделирование на суперкомпьютере Cori
Сафди и его команда обратились к коллегам из Массачусетского технологического института и лаборатории Беркли, чтобы провести еще более точное моделирование с использованием новых методов расчета. Во время моделирования небольшая часть расширяющейся Вселенной представляется трехмерной сеткой, на которой решаются уравнения. Эта сетка становится более детализированной вокруг областей интереса. Таким образом, он концентрирует вычислительную мощность на наиболее важных частях моделирования.
Эта техника позволила Сафди увидеть в тысячи раз больше деталей вокруг областей, где генерируются аксионы. В результате можно более точно определить общее количество произведенных аксионов. А затем, учитывая общую массу темной материи во Вселенной, выводится масса аксионов. В моделировании использовалось 69 632 физических вычислительных ядра (ЦП) суперкомпьютера Cori с почти 100 терабайтами оперативной памяти (ОЗУ). Это сделало симуляцию одной из крупнейших симуляций темной материи на сегодняшний день.
Вихри аксионов в ранней Вселенной
Моделирование показало, что вихри образуются после первых миллиардных долей секунды после Большого взрыва. Своего рода струны, состоящие из аксионов. Которые претерпевают многочисленные бурные динамические процессы при расширении Вселенной.
«Когда происходят слишком бурные события, аксионы убегают от струн«, — объясняет Сафди. «И, как мы думаем, в конечном итоге они становятся темной материей гораздо позже во времени«. Отслеживая количество уничтоженных аксионов, исследователи могут предсказать, сколько темной материи было создано.
В будущем новые симуляции и экспериментальные исследования
Сейчас команда работает с новым суперкомпьютерным кластером, строящимся в Лаборатории Беркли, который позволит проводить симуляции, обеспечивающие еще более точное определение массы. Суперкомпьютер нового поколения в четыре раза увеличивает вычислительную мощность NERSC.
«Мы хотим провести еще более масштабное моделирование и с еще более высоким разрешением, что позволит нам уменьшить эти погрешности, надеюсь, на десять процентов«, — говорит Сафди. «В экспериментальном плане это действительно меняет игру«. Действительно, как только моделирование даст еще более точную массу, аксион, возможно, будет проще найти. И быть подтвержденным или нет как таинственная составляющая темной материи.