Аксионы оказались лучшими кандидатами на роль составляющих темной материи
Улучшенное моделирование, проведенное исследователями Лаборатории Беркли, позволило более точно оценить массу осей. Эти оси сформировались менее чем за 1 секунду, менее чем через 10 секунд после Большого взрыва, и могут быть лучшим кандидатом на роль загадочного элемента темной материи, но его еще предстоит обнаружить.
Содержание статьи:
Темная материя составляет большую часть Вселенной, около 85%, но что это такое, пока неизвестно. До сих пор ее поиск был сосредоточен на гало и ореолах других галактик — больших компактных объектах, состоящих из крупных частиц, которые слабо взаимодействуют. Ни один из них не проявил себя как кандидат.
Исследователи подозревают, что темная материя состоит из частиц, о которых мы еще не знаем. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Communications, физики из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли совместно с учеными из Массачусетского технологического института пришли к выводу, что этими частицами могут быть аксионы.
Используя новый метод вычислений и колли на одном из крупнейших в мире суперкомпьютеров, профессор Беркли Бенджамин Сафди и коллеги из Массачусетского технологического института смоделировали возникшие аксионы. Все началось через миллиардную долю секунды после большого взрыва. В результате была создана Вселенная, в которой мы живем. Частицы Оспрена, которые были созданы в больших количествах во время большого взрыва, должны были каким-то образом обнаружиться во Вселенной. На самом деле они так и не были найдены.
Таким образом, возникает вопрос, который уже поднимался в прошлом. Сегодня это показывает моделирование Сафди и его коллег. Что если оси были компонентами темной материи?
Ось была предложена в 1978 году как новая фундаментальная частица, которая могла бы объяснить, почему спин нейтрона не является ведущим и не осциллирует в электрических полях. Согласно теории, ось A не позволяет оси A благоприятствовать спину нейтрона.
С 1980-х годов физики рассматривают ось как кандидата в темную материю, и первые попытки ее обнаружения уже начались. Во-первых, точную массу оси А можно рассчитать, используя уравнения Стандартной модели (теория взаимодействия фундаментальных частиц) и Стандартной космологической модели (теория большого взрыва). Однако эти уравнения настолько сложны, что пока доступна лишь неточная оценка. В результате сложные радиопомехи, называемые микроволновыми резонаторами, должны быть настроены на миллионы частотных каналов, чтобы попытаться найти соответствующую массу оси.
Самая точная на сегодняшний день оценка массы аксиона
Читайте также: В галактике AGC 114905 нет следов темной материи
Группа голландских исследователей использовала очень большой массив радиотелескопов для проведения детальных измерений галактики AGC 114905 в течение 40..
Моделирование, проведенное Лабораторией Беркли (NERSC), показало, что масса оси более чем в два раза превышает считавшуюся ранее: от 40 до 180 микроэлектронвольт (микроэВ), что составляет около 10 миллионов частей массы электрона. Полученные данные позволяют предположить, что масса аксиона составляет около 65 микроэВ.С тех пор как физики начали поиски аксиона 40 лет назад, оценки массы варьировались в очень широких пределах: от нескольких микроэВ до 500 микроэВ.
Поскольку оценка массы аксиса находится на очень малых значениях, нет никаких сомнений в том, что аксисы в микроволновых резонансных камерах могут быть обнаружены. Это наиболее распространенный эксперимент по их обнаружению. Конечно, при таком подходе они не обнаруживаются. В связи с этим Сафди объясняет следующее
«Чтобы обнаружить высокие частоты от осей большей массы, диаметр камеры не превышает нескольких сантиметров. Этот объем слишком мал, чтобы захватить достаточно аксессуаров, чтобы перевесить шум. Наше исследование дает наиболее точные результаты. На сегодняшний день уже представлена оценка. В настоящее время это не исследуется в лаборатории; имеет смысл сосредоточить экспериментальные усилия на массах в диапазоне 40-180 микроэф. Однако необходимо проделать большую работу, чтобы выйти. за пределы этого диапазона масс».
Моделирование на суперкомпьютере Cori
Сафди и его команда попросили коллег из Массачусетского технологического института и Лаборатории Беркли провести более точное моделирование с использованием новых вычислительных методов. Во время моделирования небольшая часть расширяющейся Вселенной представляется в виде трехмерной сетки, в которой решаются уравнения. Эта сетка становится более детальной в интересующих нас регионах. Таким образом, вычислительная мощность концентрируется на наиболее важных частях моделирования.
Такой подход позволил Сафди увидеть в тысячи раз больше деталей вокруг области, где были сгенерированы оси. В результате общее количество созданных осей может быть определено более точно. Массу осей можно определить, приняв во внимание общую массу темной материи во Вселенной. В моделировании использовалось 69, 632 физических вычислительных ядер (CPU) суперкомпьютера CORI с около 100 терабайтами произвольного доступа (RAM). Оно имитировало одну из крупнейших на сегодняшний день симуляций темной материи.
Вихри аксионов в ранней Вселенной
Моделирование показывает образование вихря после первой миллиардной доли секунды после большого взрыва; это тип струны, состоящей из аксионов. Во время расширения Вселенной происходит множество турбулентных процессов.
Когда все становится слишком интенсивным, аксионы выходят из струны. «И я думаю, что они станут темной материей гораздо позже». Смешивая количество разрушенных аксионов, исследователи могут предсказать, сколько темной материи было произведено.
В будущем новые симуляции и экспериментальные исследования
В настоящее время команда работает на новом суперкомпьютерном кластере, встроенном в Лабораторию Беркли. Это позволит проводить более точные измерения массы во время моделирования. Новое поколение суперкомпьютеров увеличит вычислительную мощность NERSC в четыре раза.
Мы надеемся провести еще более масштабное моделирование с еще более высоким разрешением. Это позволит сократить количество таких ошибок на 10 %, — говорит Сафди. С экспериментальной точки зрения, это действительно меняет игру». Действительно, более точное моделирование массы может облегчить поиск оси. И будет ли он идентифицирован как таинственный элемент темной материи.
