Simulation de structures à grande échelle de l'Univers (Université de Tsukuba) Quelle est la masse d'un neutrino ? Ce problème a vexé les physiciens pendant des décennies. C'est infime, sans aucun doute, mais en vertu de l'une des caractéristiques les plus fondamentales de la particule, il ne peut pas être nul. Cela laisse encore beaucoup de place aux conjectures.
Comme la plupart des énigmes, la solution peut être trouvée en sortant des sentiers battus.
Des physiciens de l'Université de Tsukuba, de l'Université de Kyoto et de l'Université de Tokyo au Japon ont pris ce conseil à cœur, en utilisant une nouvelle méthode révolutionnaire pour modéliser une partie importante de l'Univers afin d'agir comme un terrain d'essai pour l'influence subtile de neutrinos sur l'évolution du cosmos.
C'est une idée quiété testé avant. Mais en appliquant une simulation utilisée dans d'autres domaines de la physique, les chercheurs à l'origine de ce nouveau modèle pensent pouvoir aplanir certaines des lacunes de la méthode précédente.
Les neutrinos ont été une partie théorique de la modèle standard de physique depuis 1930, et membre confirmé depuis leur découverte expérimentale au milieu des années 1950.
Techniquement, cette particule fantomatique devrait être aussi sans masse qu'un photon. Mais il y a un peu plus de vingt ans, les scientifiques ont découvert que non seulement ils se présentent sous une variété de formes, ou de 'saveurs', mais qu'ils oscillent entre eux lorsqu'ils se déplacent.
Pour cette raison même, les physiciens sont convaincus que les neutrinos doivent avoir quelques sorte de masse. Même si c'est un cheveu de rien. Si les neutrinos n'avaient pas de masse, ils se déplaceraient à la vitesse de la lumière dans le vide, et si c'était le cas, le temps s'arrêterait pour eux, donc ils ne changeraient pas du tout.
Recherche une masse préciseen utilisant des méthodes de laboratoireont fixé des limites supérieures à la taille potentielle d'un neutrino, en le plafonnant à 1/500 000 d'un seul électron. Donc, il est sûr de dire que quelque part entre zip et 1/500 000ème de la masse d'un électron, nous avons notre réponse.
Cette nouvelle méthode pourrait bien nous rapprocher un peu plus de ce nombre, bien qu'il soit vrai que reconstruire la majeure partie d'un univers pour peser quelque chose qui existe à peine n'est pas sans ironie.
Heureusement, ce que l'humble neutrino manque de punch, il le compense en nombre.
Depuis les tout premiers instants, les neutrinos ont fait partie de l'Univers en quantités importantes, extraits du vide en ébullition lui-même. dans la première seconde de la Big Bang .
Tout comme le bourdonnement statique des restes de rayonnement que nous voyons toujours comme un fond de micro-ondes cosmique , une charge neutre arrière-plan de ces reliques de neutrinos nous entourent à ce jour.
Il ne fait aucun doute que des masses de neutrinos reliques auraient eu une sorte d'influence sur les structures émergentes de l'Univers. Précisément quel genre d'effet n'est pas si facile à comprendre.
Dans un modèle physique typique de quelque chose comme un système solaire, ou même un groupe d'atomes, vous pouvez sélectionner un certain nombre d'objets, définir leurs comportements les uns par rapport aux autres, les cartographier dans l'espace 3D et laisser un ordinateur calculer ce qui se passe temps.
Vous voulez plus d'objets ? Obtenez un ordinateur plus rapide et ajoutez-les.
De telles simulations « N-corps » peuvent bien fonctionner pour des simulations à grande échelle. Mais elles ont leurs limites, surtout lorsqu'elles se frottent à une physique de nature plus quantique.
Les objets quantiques comme les neutrinos massifs ne suivent pas les mêmes règles que les particules classiques. Les neutrinos ne sont connus que pour interagir avec la gravité et les forces subatomiques faibles, il est donc difficile de dire comment différents types de neutrinos ont agité l'Univers primitif.
Dans ce nouveau modèle, les chercheurs ont emprunté une équation de la physique des plasmas appelée simulation de Vlasov. Plutôt que de traiter les neutrinos reliques comme des objets classiques discrets, les équations basées sur le plasma ont permis à l'équipe de les décrire comme s'il s'agissait d'un milieu continu.
Exécution de la simulation sur un supercalculateur à Centre RIKEN pour les sciences informatiques au Japon a démontré que le programme pouvait être utilisé sur une gamme d'échelles, aboutissant à des représentations assez précises de la structure de la majeure partie de l'Univers observable.
«Notre plus grande simulation combine de manière cohérente la simulation de Vlasov sur 400 billions de grilles avec des calculs de 330 milliards de corps, et elle reproduit avec précision la dynamique complexe des neutrinos cosmiques», dit auteur principal de l'étude, le physicien Koji Yoshikawa de l'Université de Tokyo.
Des travaux futurs seront nécessaires pour peaufiner les détails afin, espérons-le, de zoomer sur un chiffre plus précis de la masse du neutrino relique. Pourtant, c'est une innovation qui a déjà valu à l'équipe une reconnaissance sous la forme d'une place de finaliste au 2021 Prix ACM Gordon Bell .
Leur nouvelle façon révolutionnaire de modéliser des structures à grande échelle de cette manière n'est pas seulement une victoire potentielle pour les physiciens désireux d'apprendre précisément la masse d'un neutrino ; il pourrait également avoir des applications en physique des plasmas.
Cette recherche a été publiée dans SC '21 : Actes de la conférence internationale sur le calcul haute performance, la mise en réseau, le stockage et l'analyse .