Москва

5.3K

Like Love Haha Wow Sad Angry
521

Физики уточнили массу аксиона

Она заставляет пересмотреть стратегию поиска темной материи.

Моделирование, проведенное на суперкомпьютере «Cori», показало, что наиболее предпочтительный на сегодня кандидат в частицу темной материи – аскион – ускользал от нас по причине неверно рассчитанного диапазона его массы и, как следствие, завязанных на ней конструктивных особенностях инструментов, нацеленных на регистрацию. Результаты исследования и выводы ученых представлены в журнале Nature Communications.

«Используя новые вычислительные методы, мы смоделировали эпоху, когда должны были быть созданы аксионы, это примерно через одну миллиардную от миллиардной от миллиардной доли секунды после возникновения Вселенной», – рассказывают авторы исследования.

Расчеты показали, что масса гипотетической частицы более чем в два раза больше предполагаемой ранее теоретиками и лежит в диапазоне от 40 до 180 микроэлектронвольт, или примерно одна десятимиллиардная часть массы электрона. При этом наиболее вероятная масса близка к 65 микроэлектронвольтам.

Это означает, что распространенный тип эксперимента по обнаружению этих неуловимых частиц – микроволновая резонансная камера, которая нацелена на регистрацию преобразования аксиона в слабую электромагнитную волну – не сможет их обнаружить ни при каких модификациях, так как сигнал всегда будет потерян в шуме.

«Наша работа дает самую точную на сегодня оценку массы аксиона и указывает на диапазон, который в настоящее время не исследуется в лабораториях. Нам предстоит много усилий по созданию нового типа эксперимента для фиксации аксионных возбуждений и, если постинфляционный сценарий их образования верен, то через несколько десятилетий мы можем приблизиться к открытию этой частицы, при условии, что она существует», – заявили авторы исследования.

Главный кандидат на темную материю

Гипотетическая частица аксион слабо взаимодействует с обычной материей. Ее существование было предложено в 1978 году, и она может объяснить, почему спин нейтрона не прецессирует и не колеблется в электрическом поле.

«Согласно теории, аксион подавляет эту прецессию в нейтроне. На сегодня это лучшая идея, которая у нас есть, чтобы объяснить это странное поведение», – отметил Бенджамин Сафди, ведущий автор исследования из Калифорнийского университета в Беркли (США).

В 1980-х годах аксион стали рассматривать как кандидата на частицу темной матери, и были предприняты первые попытки обнаружить его. Используя теорию взаимодействия фундаментальных частиц, так называемую Стандартную модель, дополненную теориями Большого взрыва и Стандартной космологической модели, можно рассчитать точную массу аксиона, но уравнения настолько сложны, что на данный момент у физиков есть только оценки, которые сильно различаются. Поскольку масса известна неточно, при поиске с использованием микроволновых резонаторов, по существу, сложных радиоприемников, их приходится настраиваться на миллионы частотных каналов, чтобы попытаться найти тот, который соответствует массе аксиона.

В поисках более точной массы аксиона физики разработали специализированный код, в котором моделируемая небольшая часть расширяющейся Вселенной представляется трехмерной сеткой. При адаптивном уточнении сетки она становится более детализированной вокруг интересующих областей и менее детализированной в пространстве, где ничего особенного не происходит. Это концентрирует вычислительную мощность на наиболее важных частях моделирования.

Подход позволил увидеть в тысячи раз больше деталей в местах образования аксионов, что привело к более точному определению их общего количества. Затем, основываясь на содержании темной материи во Вселенной, физики рассчитали массу частицы.

«Моделирование показало, что после эпохи инфляции формировались маленькие торнадо в виде струн, которые были окутаны аксионами. Эти струны извивались, образовывали петли и претерпевали множество насильственных динамических процессов во время расширения Вселенной, а обнимающие их аксионы пытались удержаться. Но когда происходило что-то слишком жестокое, аксионы сбрасывались со струн, а затем, намного позже, становились темной материей. Отслеживание оторвавшихся аксионов позволит точнее предсказать общее количество образовавшейся темной материи», – пояснил Бенджамин Сафди.

В дальнейшем физики планируют провести серию симуляций с большим разрешением, что позволит уменьшить неопределенность и точнее рассчитать массу аксиона. Это, в свою очередь, облегчит поиск этих гиоптетических частиц и в итоге либо приведет к их регистрации, либо окончательно исключит существование.

Like Love Haha Wow Sad Angry
521

Больше по теме:   Темная материя

Перейти ко всем новостям
определить автоматически
Закрыть