Физики уточнили массу аксиона — Ин-Спейс

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.

2

Физики уточнили массу аксиона   - Ин-Спейс

Художественное представление гало темной материи, окружающего Млечный Путь. Credit: L. Calcada/ESO

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.

Физики уточнили массу аксиона   - Ин-Спейс

Снимок Малого Магелланова Облака с наложенной (справа) смоделированной темной материей. Credits: Dark matter, R. Caputo et al. 2016; background, Axel Mellinger, Central Michigan University

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.

Физики уточнили массу аксиона   - Ин-Спейс

В симуляции ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва торнадоподобные струны отбрасывают аксионные частицы. Эти аксионы должны существовать и сегодня и могут быть темной материей. Credit: Malte Buschmann, Princeton University

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.

Источник