Физики предложили новую компьютерную модель взаимодействия нейтрино с темной материей

Группа японских физиков провела суперкомпьютерное моделирование взаимодействия нейтрино и темной материи для изучения процесса формирования неоднородностей во Вселенной. Ученые предложили новый метод численного анализа взаимодействия этих типов вещества, в котором нейтрино рассматриваются как непрерывно распределенная субстанция, а темная материя — как нерелятивистские частицы. Полученное физиками распределение плотности вещества в результате космологической эволюции более реалистично, чем то, которое получается, если при моделировании рассматривать нейтрино как частицы. Препринт их работы выложен на arXiv.org.

Неоднородности плотности вещества во Вселенной изначально возникли в первые моменты после Большого взрыва как квантовые флуктуации. Эти неоднородности росли, потому что гравитационное притяжение к ним было больше, чем к другим точкам расширяющейся Вселенной, и сейчас они превратились в галактики и их кластеры. На протяжении большей части истории формирования неоднородностей релятивистское вещество было представлено фотонами космического микроволнового фона, чьим вкладом в формирование неоднородностей можно пренебречь, потому что их доля в энергетическом балансе Вселенной в настоящее время равна приблизительно 10^-5. Нерелятивистское вещество примерно на 85 процентов состоит из темной материи, почти вся оставшаяся доля приходится на барионное вещество, и около 10^-2–10^-3 массы сосредоточено в реликтовых нейтрино. Эти нейтрино на протяжении большей части жизни Вселенной были нерелятивистскими, так как наблюдения за нейтринными осцилляциями показывают, что суммарная масса всех трех ароматов этих частиц не меньше 0,06 электронвольт, тогда как температура Вселенной, приблизительно равная средней кинетической энергии нейтрино, в настоящее время и на протяжении большей части космологической эволюции Вселенной имеет порядок 10^-3–10^-4 электронвольт.

Несмотря на то, что доля нейтрино в массовом балансе очень мала, они все же оказывают существенное влияние на формирование неоднородностей благодаря тому, что из-за малой массы, которая для одного аромата ограничена сверху 0,086 электронвольта, дисперсия их скорости очень велика. Нейтрино больших скоростей неохотно собираются в кластеры, а их гравитационное взаимодействие с другими частицами мешает кластеризоваться и им тоже. Величина дисперсии скорости нейтрино зависит от их массы, а потому наблюдения за распределением плотности в скоплениях барионной и темной материи могут помочь найти эту массу.

Наиболее эффективный способ изучения формирования кластеров вещества, взаимодействующего с нейтрино, — это компьютерное моделирование. До настоящего момента самым масштабным исследованием этих процессов было моделирование, проведенное на китайском суперкомпьютере Тяньхэ-2. В этой работе физики пренебрегли всем барионным веществом, так как его гораздо меньше, чем темной материи, и рассмотрели взаимодействие 13824³ нейтрино с 6912³ частицами темной материи. Ученые рассмотрели эволюцию темной материи, начиная с возраста Вселенной, равного 16 миллионам лет, а нейтрино они «включили», когда ее возраст достиг миллиарда лет.‎ После этого исследователи изучили их совместную эволюцию до настоящего времени. Проблема данного исследования заключалась в том, что при моделировании нейтрино с большой дисперсией скорости с помощью частиц возникал шум, приводящий к нефизическому негладкому распределению плотности нейтрино в сформировавшемся кластере.

Чтобы решить эту проблему, группа японских физиков под руководством Кодзи Есикава (Kohji Yoshikawa) из Института физико-химических исследований RIKEN провела моделирование взаимодействия темной материи с нейтрино, но нейтрино рассматривались как непрерывная субстанция, а не отдельные частицы, что подавляет ненужный шум. Моделирование проводилось на японском суперкомпьютере Фукагу, содержащем 7 077 888 вычислительных ядер. Ученые рассмотрели взаимодействие 330 миллиардов частиц темной материи с нейтрино, описываемых функцией распределения в шестимерном фазовом пространстве координат и скоростей, которое аппроксимировалось решеткой с 400 триллионами узлов. Эволюция функции распределения подчиняется кинетическому бесстолкновительному уравнению Власова, в которое входит гравитационный потенциал, создаваемый как нейтрино, так и частицами темной материи, для которых напрямую численно решалась задача многих гравитирующих тел.

Ученые при проведении моделирования рассматривали два значения суммарной массы трех ароматов нейтрино, равных 0,2 и 0,4 электронвольта, что достаточно близко к современному ограничению сверху. Все частицы находились в кубическом объеме с длиной стороны, равной 1200 h^-1 × мегапарсек, что соответствует возрасту Вселенной, равному 480 миллионов лет. Здесь h — это приведенная постоянная Хаббла. Для проверки масштабируемости численного счета и сравнения результатов моделирования с более ранними работами также рассматривалась эволюция в кубе со стороной 200 h^-1 × мегапарсек.

Полученные в результате моделирования распределения плотности темной материи и нейтрино очень похожи друг на друга, но нейтринное распределение более диффузное, как и ожидалось из-за большой дисперсии скоростей этих частиц. Важнейшим результатом моделирования оказалось то, что вид распределения плотности нейтрино достаточно сильно отличается для двух рассмотренных значений масс этих частиц.

Физики сравнили результаты их моделирования с более ранними результатами, полученными на Тяньхэ-2 и, как и ожидалось, полученные ими распределения плотности нейтрино, а также их скорости и дисперсии скорости, оказались гораздо более гладкими, потому что из них исчез нефизический шум.

Исследователи надеются, что сравнение результатов их моделирования и текущих и будущих наблюдений с помощью наземного телескопа Веры Рубин, а также космических телескопов Нэнси Грейс Роман и Эвклид, поможет точно определить массы нейтрино. Кроме того, физики считают, что разработанные ими алгоритмы численного решения уравнения Власова могут использоваться в других задачах, где применяется это уравнение. К ним относится моделирование поведения намагниченной плазмы, возникающей, например, при взаимодействии межпланетной плазмы с магнитосферой планет, а также высокоэнергетичной плазмы, движущейся вокруг черных дыр и нейтронных звезд.

Ранее мы писали о том, как физики предложили определять массы нейтрино с помощью точного измерения энергии электронов, испущенных при радиоактивном распаде.

Андрей Фельдман