Согласно результатам моделирования, выполненного с использованием суперкомпьютера «Cori», наиболее вероятным кандидатом на роль частицы темной материи является аскион. Причиной того, что его до сих пор не удалось обнаружить, по мнению исследователей, стало некорректное определение диапазона его массы, что повлияло на конструкцию приборов, предназначенных для регистрации. Данные и заключения ученых опубликованы в журнале Nature Communications.
«С помощью передовых вычислительных подходов мы воссоздали условия эпохи формирования аксионов – это произошло примерно через одну миллиардную от миллиардной от миллиардной доли секунды после Большого взрыва», – поясняют авторы научной работы.
Проведенные расчеты указывают на то, что масса гипотетической частицы значительно превышает ранее предполагаемые теоретиками значения и находится в пределах от 40 до 180 микроэлектронвольт, что эквивалентно примерно одной десятимиллиардной части массы электрона. Наиболее вероятная масса составляет около 65 микроэлектронвольт.
Это указывает на то, что стандартный метод поиска этих трудноуловимых частиц – микроволновая резонансная камера, предназначенная для регистрации преобразования аксиона в слабый электромагнитный сигнал – не сможет обеспечить их обнаружение даже при внесении каких-либо изменений, поскольку ожидаемый сигнал будет заглушен шумом.
«Проведенная нами работа предоставляет наиболее точную на текущий момент оценку массы аксиона и определяет диапазон значений, который в настоящее время не охватывается лабораторными исследованиями. Впереди значительный объем работы по разработке принципиально нового типа эксперимента для регистрации аксионных колебаний. Если сценарий их образования, связанный с периодом послеинфляции, верен, то через несколько десятилетий мы можем приблизиться к обнаружению этой частицы, при условии ее существования», – сообщили авторы научной работы.
Главный кандидат на темную материю
Аксион – гипотетическая частица, характеризующаяся слабым взаимодействием с обычной материей. Данная концепция была впервые предложена в 1978 году и может служить объяснением феномена несовпадения прецессии и колебания спина нейтрона в электрическом поле.
«В соответствии с теоретическими представлениями, аксион оказывает влияние на прецессию нейтрона. На сегодняшний день это наиболее перспективная гипотеза для объяснения этого необычного явления», – подчеркнул Бенджамин Сафди, ведущий автор исследования из Калифорнийского университета в Беркли (США).
Начиная с 1980-х годов аксион рассматриваются как потенциальный кандидат на роль частицы темной материи, и были предприняты первые попытки его обнаружения. Применение теории взаимодействия элементарных частиц, известной как Стандартная модель, в сочетании с теориями Большого взрыва и Стандартной космологической модели позволяет рассчитать предполагаемую массу аксиона, однако эти расчеты чрезвычайно сложны, поэтому физики располагают лишь приблизительными оценками, существенно отличающимися друг от друга. В связи с неточной известностью массы, при поиске с использованием микроволновых резонаторов – по сути, сложных радиоприемников – необходимо сканировать миллионы частотных каналов в надежде найти тот, который соответствует массе аксиона.
С целью определения более точной массы аксиона физики создали специализированный программный код, в котором небольшая часть расширяющейся Вселенной представлена в виде трехмерной сетки. Благодаря адаптивной детализации этой сетки она становится более подробной в областях, представляющих интерес, и менее детализированной в пространствах, где не наблюдается каких-либо особенностей. Это позволяет сосредоточить вычислительные ресурсы на наиболее значимых участках моделирования.
Используемый метод позволил получить изображения мест формирования аксионов с детализацией, превышающей предыдущую на несколько порядков, что обеспечило более точную оценку их совокупного количества. На основе данных о концентрации темной материи во Вселенной ученые смогли определить массу этой частицы.
«Наши расчеты демонстрируют, что в период после инфляции формировались микроскопические вихревые образования, напоминающие струны, которые были окружены аксионами. Эти структуры извивались, образовывали петли и подвергались интенсивным динамическим изменениям по мере расширения Вселенной, при этом окружающие их аксионы стремились сохранить связь. Однако в результате чрезмерных воздействий аксионы отрывались от струн и впоследствии становились компонентом темной материи. Анализ процесса отделения аксионов позволит точнее спрогнозировать общее количество сформированной темной материи», – объяснил Бенджамин Сафди.
В перспективе физики намерены провести серию высокоразрешающих симуляций, что должно снизить погрешность и повысить точность расчета массы аксиона. Это, в свою очередь, упростит поиск этих гипотетических частиц и может либо привести к их обнаружению, либо окончательно опровергнуть их существование.
