Los físicos que buscan, sin éxito, el candidato favorito de la actualidad para la materia oscura, el axión, han estado buscando en el lugar equivocado, según una nueva simulación de supercomputadora de cómo se produjeron los axiones poco después del Big Bang hace 13.600 millones de años.
Usando nuevas técnicas de cálculo y una de las computadoras más grandes del mundo, Benjamin Safdi, profesor asistente de física en la Universidad de California, Berkeley; Malte Buschmann, investigador asociado postdoctoral en la Universidad de Princeton; y colegas en el MIT y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley simularonla era en la que se habrían producido los axiones, aproximadamente una billonésima de una billonésima de una billonésima de segundo después de que el universo llegara a existir y después de la época de la inflación cósmica.
La simulación en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación NERSC de Berkeley Lab encontró que la masa del axión era más del doble de lo que los teóricos y experimentadores habían pensado: entre 40 y 180 microelectrones voltios micro-eV, o ?eV, o alrededor de una 10 mil millonésima parte de la masa del electrón. Hay indicios, dijo Safdi, de que la masa está cerca de 65 ?eV. Desde que los físicos comenzaron a buscar el axión hace 40 años, las estimaciones de la masa han variado ampliamente, desde unos pocos ?eV hasta 500 ?eV.
"Proporcionamos una mejora de más de mil veces en el rango dinámico de nuestras simulaciones de axiones en relación con el trabajo anterior y aclaramos una pregunta de 40 años sobre la masa del axión y la cosmología del axión", dijo Safdi.
La masa más definitiva significa que el tipo de experimento más común para detectar estas escurridizas partículas, una cámara de resonancia de microondas que contiene un fuerte campo magnético, en la que los científicos esperan lograr la conversión de un axión en una débil onda electromagnética, ganó"No seremos capaces de detectarlos, no importa cuánto se modifique el experimento. La cámara tendría que ser más pequeña que unos pocos centímetros de lado para detectar la onda de mayor frecuencia de un axión de mayor masa", dijo Safdi, y esoel volumen sería demasiado pequeño para capturar suficientes axiones para que la señal se eleve por encima del ruido.
"Nuestro trabajo proporciona la estimación más precisa hasta la fecha de la masa del axión y apunta a un rango específico de masas que no se está explorando actualmente en el laboratorio", dijo. "Realmente creo que tiene sentido centrar los esfuerzos experimentalesen masas de axiones de 40 a 180 ?eV, pero hay mucho trabajo preparándose para alcanzar ese rango de masas".
Un tipo de experimento más nuevo, un haloscopio de plasma, que busca excitaciones de axiones en un metamaterial, un plasma de estado sólido, debería ser sensible a una partícula de axión de esta masa y podría detectar una.
"Los estudios básicos de estas matrices tridimensionales de cables finos han funcionado increíblemente bien, mucho mejor de lo que esperábamos", dijo Karl van Bibber, profesor de ingeniería nuclear de UC Berkeley que está construyendo un prototipo del haloscopio de plasmamientras participaba en una búsqueda de axiones en cavidades de microondas llamada experimento HAYSTAC. "El último resultado de Ben es muy emocionante. Si el escenario posterior a la inflación es correcto, después de cuatro décadas, el descubrimiento del axión podría acelerarse en gran medida".
Si los axiones realmente existen.
El trabajo se publicará el 25 de febrero en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
candidato principal de Axion para la materia oscura
La materia oscura es una sustancia misteriosa que los astrónomos saben que existe, afecta los movimientos de cada estrella y galaxia, pero que interactúa tan débilmente con la materia de las estrellas y galaxias que ha eludido la detección. Eso no significa materia oscurano se puede estudiar e incluso pesar. Los astrónomos saben con bastante precisión cuánta materia oscura existe en la Vía Láctea e incluso en todo el universo: el 85% de toda la materia en el cosmos.
Hasta la fecha, las búsquedas de materia oscura se han centrado en objetos compactos masivos en el halo de nuestra galaxia llamados objetos de halo compactos masivos o MACHO, partículas masivas de interacción débil WIMP e incluso agujeros negros invisibles. Ninguno resultó ser un candidato probable.
"La materia oscura es la mayor parte de la materia del universo, y no tenemos idea de qué es. Una de las preguntas más destacadas en toda la ciencia es: '¿Qué es la materia oscura?'", dijo Safdi. "Sospechamos quees una nueva partícula que no conocemos, y el axión podría ser esa partícula. Podría crearse en abundancia en el Big Bang y estar flotando por ahí explicando las observaciones que se han hecho en astrofísica".
Aunque no es estrictamente un WIMP, el axión también interactúa débilmente con la materia normal. Pasa fácilmente a través de la tierra sin interrupciones. Fue propuesto en 1978 como una nueva partícula elemental que podría explicar por qué el espín del neutrón no precede ni se tambalea en uncampo eléctrico El axión, según la teoría, suprime esta precesión en el neutrón.
"Hasta el día de hoy, el axión es la mejor idea que tenemos sobre cómo explicar estas extrañas observaciones sobre el neutrón", dijo Safdi.
En la década de 1980, el axión comenzó a verse también como un candidato para la materia oscura, y se lanzaron los primeros intentos de detectar axiones. Usando las ecuaciones de la teoría bien examinada de las interacciones de partículas fundamentales, el llamado Modelo Estándar, además de la teoría del Big Bang, el modelo cosmológico estándar, es posible calcular la masa precisa del axión, pero las ecuaciones son tan difíciles que hasta la fecha solo tenemos estimaciones, que han variado enormemente.de manera tan imprecisa, las búsquedas que emplean cavidades de microondas, esencialmente elaborados receptores de radio, deben sintonizar millones de canales de frecuencia para tratar de encontrar el correspondiente a la masa del axión.
"Con estos experimentos de axión, no saben qué estación se supone que deben sintonizar, por lo que tienen que explorar muchas posibilidades diferentes", dijo Safdi.
Safdi y su equipo produjeron la estimación de masa de axión más reciente, aunque incorrecta, que los experimentadores están buscando actualmente. Pero mientras trabajaban en simulaciones mejoradas, se acercaron a un equipo de Berkeley Lab que había desarrollado un código especializado para una mejor técnica de simulación llamadorefinamiento de malla adaptativa.Durante las simulaciones, una pequeña parte del universo en expansión se representa mediante una cuadrícula tridimensional sobre la que se resuelven las ecuaciones.En el refinamiento de malla adaptativa, la cuadrícula se hace más detallada alrededor de las áreas de interés y menos detallada alrededor de las áreas de interés.espacio donde no sucede gran cosa. Esto concentra el poder de cómputo en las partes más importantes de la simulación.
La técnica permitió que la simulación de Safdi viera miles de veces más detalles alrededor de las áreas donde se generan los axiones, lo que permitió una determinación más precisa del número total de axiones producidos y, dada la masa total de materia oscura en el universo, la masa del axiónLa simulación empleó 69.632 núcleos de unidades físicas de procesamiento informático CPU de la supercomputadora Cori con casi 100 terabytes de memoria de acceso aleatorio RAM, lo que convierte a la simulación en una de las simulaciones de materia oscura más grandes de cualquier tipo hasta la fecha.
La simulación mostró que después de la época inflacionaria, pequeños tornados, o vórtices, se forman como cuerdas cuerdas en el universo primitivo y arrojan axiones como jinetes sacados de un potro salvaje.
"Puede pensar en estas cuerdas como compuestas de axiones que abrazan los vórtices mientras estas cuerdas se azotan formando bucles, conectándose, experimentando muchos procesos dinámicos violentos durante la expansión de nuestro universo, y los axiones que abrazan los lados de estas cuerdas sontratando de aguantar el viaje ", dijo Safdi." Pero cuando sucede algo demasiado violento, simplemente se desprenden y se alejan de estas cuerdas. Y esos axiones que se desprenden de las cuerdas terminan convirtiéndose en la materia oscura mucho más tarde.en."
Al realizar un seguimiento de los axiones que se desprenden, los investigadores pueden predecir la cantidad de materia oscura que se creó.
El refinamiento de la malla adaptativa permitió a los investigadores simular el universo durante mucho más tiempo que las simulaciones anteriores y en una porción mucho más grande del universo que las simulaciones anteriores.
"Resolvemos la masa del axión de una manera más inteligente y también lanzando toda la potencia informática que podamos encontrar en este problema", dijo Safdi. "Nunca podríamos simular todo nuestro universo porque es demasiado grande.Pero no necesitamos estimular todo nuestro universo. Solo necesitamos simular una porción lo suficientemente grande del universo durante un período de tiempo lo suficientemente largo, de modo que capturemos todas las dinámicas que sabemos que están contenidas dentro de esa caja".
El equipo está trabajando con un nuevo grupo de supercomputación que se está construyendo en Berkeley Lab que permitirá simulaciones que proporcionarán una masa aún más precisa. Llamado Perlmutter, en honor a Saul Perlmutter, físico de UC Berkeley y Berkeley Lab que ganó el Premio Nobel de 2011en Física por descubrir la expansión acelerada del universo impulsada por la llamada energía oscura, la supercomputadora de próxima generación cuadriplicará el poder de cómputo de NERSC.
"Queremos hacer simulaciones aún más grandes con una resolución aún mayor, lo que nos permitirá reducir estas barras de error, con suerte hasta el nivel del 10%, para que podamos decirle un número muy preciso, como 65 más o menos 2 micro-eV. Eso realmente cambia el juego experimentalmente, porque entonces se convertiría en un experimento más fácil para verificar o excluir el axión en un rango de masa tan estrecho ", dijo Safdi.
Para van Bibber, que no era miembro del equipo de simulación de Safdi, la nueva estimación de masa prueba los límites de las cavidades de microondas, que funcionan menos bien a altas frecuencias. Por lo tanto, aunque el límite inferior del rango de masa todavía está dentro de la capacidaddel experimento HAYSTAC para detectar, está entusiasmado con el haloscopio de plasma.
"A lo largo de los años, la nueva comprensión teórica ha aflojado las restricciones sobre la masa del axión; puede estar en cualquier lugar dentro de los 15 órdenes de magnitud, si se considera la posibilidad de que los axiones se hayan formado antes de la inflación. Se ha convertido en una tarea insana para los experimentadores", dijovan Bibber, quien ocupa la Cátedra Shankar Sastry de Liderazgo e Innovación de UC Berkeley, "pero un artículo reciente del grupo de teoría de Estocolmo de Frank Wilczek puede haber resuelto el enigma al hacer un resonador que podría ser simultáneamente muy grande en volumen y muy alta en frecuencia.Un resonador real para un experimento real aún está lejos, pero este podría ser el camino a seguir para llegar a la masa predicha de Safdi".
Una vez que las simulaciones dan una masa aún más precisa, el axión puede, de hecho, ser fácil de encontrar.
"Fue realmente crucial que nos asociáramos con este equipo de ciencias de la computación en Berkeley Lab", dijo Safdi. "Realmente nos expandimos más allá del campo de la física y de hecho convertimos esto en un problema de ciencias de la computación".
Los colegas de Safdi incluyen a Malte Buschmann de Princeton; el becario postdoctoral del MIT Joshua Foster; Anson Hook de la Universidad de Maryland; y Adam Peterson, Don Willcox y Weiqun Zhang del Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales de Berkeley Lab. La investigación fue financiada en gran parte por elDepartamento de Energía de EE. UU. a través del Proyecto de Computación a Exaescala 17-SC-20-SC y a través del programa Early Career DESC0019225.
Vídeo: http://youtu.be/hrCN6tF087c
Video sobre la medición de un axión: http://youtu.be/hikmvEbO-vA
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de California-Berkeley. Original escrito por Robert Sanders. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
referencia de diario:
Citar esta página:
Visita Nuevo científico for more global science stories >>>