Supercomputer kommer med en profil af mørkt stof:Standardmodeludvidelse forudsiger egenskaber ved kandidatpartikel

I jagten på det mystiske mørke stof, fysikere har brugt detaljerede computerberegninger til at komme med en oversigt over partiklerne i denne ukendte form for stof. At gøre dette, forskerne udvidede den vellykkede standardmodel for partikelfysik, som tillod dem, blandt andet, at forudsige massen af ​​såkaldte aksioner, lovende kandidater til mørkt stof. Det tysk-ungarske forskerteam ledet af professor Zoltán Fodor fra University of Wuppertal, Eötvös University i Budapest og Forschungszentrum Jülich udførte sine beregninger på Jülichs supercomputer JUQUEEN (BlueGene/Q) og præsenterer sine resultater i tidsskriftet Natur .

"Mørkt stof er en usynlig form for stof, som indtil nu kun har afsløret sig selv gennem sine tyngdekraftseffekter. Det, det består af, er et fuldstændigt mysterium, "forklarer medforfatter Dr. Andreas Ringwald, hvem er baseret på DESY, og hvem foreslog den aktuelle forskning. Bevis for eksistensen af ​​denne form for stof kommer, blandt andet, fra den astrofysiske observation af galakser, som roterer alt for hurtigt til kun at blive holdt sammen af ​​tyngdekraften i det synlige stof. Højpræcisionsmålinger ved hjælp af den europæiske satellit "Planck" viser, at næsten 85 procent af hele universets masse består af mørkt stof. Alle stjernerne, planeter, stjernetåger og andre objekter i rummet, der er lavet af konventionelt stof, tegner sig for ikke mere end 15 procent af universets masse.

"Adjektivet 'mørk' betyder ikke blot, at det ikke udsender synligt lys, "siger Ringwald." Det ser heller ikke ud til at afgive andre bølgelængder - dets interaktion med fotoner må faktisk være meget svag. "I årtier har fysikere har ledt efter partikler af denne nye type stof. Det er klart, at disse partikler skal ligge ud over standardmodellen for partikelfysik, og selvom modellen er yderst vellykket, den beskriver i øjeblikket kun de konventionelle 15 procent af alt stof i kosmos. Fra teoretisk mulige udvidelser til standardmodellen forventer fysikere ikke kun en dybere forståelse af universet, men også konkrete spor i, hvilket energiområde det især er værd at kigge efter kandidater i mørkt stof.

Den ukendte form for stof kan enten bestå af forholdsvis få, men meget tunge partikler, eller et stort antal lette. De direkte søgninger efter tunge kandidater i mørkt stof ved hjælp af store detektorer i underjordiske laboratorier og den indirekte søgning efter dem ved hjælp af store partikelacceleratorer foregår stadig, men har ikke fundet nogen partikler af mørkt stof hidtil. En række fysiske overvejelser gør ekstremt lette partikler, døbt aksioner, meget lovende kandidater. Ved hjælp af smarte eksperimentelle opsætninger, det kan endda være muligt at opdage direkte bevis på dem. "Imidlertid, for at finde denne slags beviser ville det være yderst nyttigt at vide, hvilken slags masse vi leder efter, "understreger den teoretiske fysiker Ringwald." Ellers kan søgningen tage årtier, fordi man skulle scanne alt for stort et område. "

Eksistensen af ​​aksioner forudsiges af en udvidelse til kvantekromodynamik (QCD), kvanteteorien, der styrer den stærke interaktion, ansvarlig for atomstyrken. Det stærke samspil er en af ​​de fire grundlæggende naturkræfter sammen med tyngdekraften, elektromagnetisme og den svage atomkraft, som er ansvarlig for radioaktivitet. "Teoretiske overvejelser indikerer, at der er såkaldte topologiske kvanteudsving i kvantekromodynamik, som burde resultere i en observerbar krænkelse af tidsomvendt symmetri, "forklarer Ringwald. Det betyder, at visse processer bør variere afhængigt af, om de kører fremad eller bagud. Dog kan intet forsøg har hidtil formået at påvise denne effekt.

Udvidelsen til kvantekromodynamik (QCD) genopretter uændringen af ​​tidsomskiftninger, men på samme tid forudsiger den eksistensen af ​​en meget svagt interagerende partikel, aksionen, hvis egenskaber, især dens masse, afhænger af styrken af ​​de topologiske kvanteudsving. Imidlertid, det tager moderne supercomputere som Jülichs JUQUEEN at beregne sidstnævnte i det temperaturområde, der er relevant til at forudsige aksioners relative bidrag til det stof, der udgør universet. "Oven i købet, vi var nødt til at udvikle nye analysemetoder for at opnå det nødvendige temperaturområde, "bemærker Fodor, der ledede forskningen.

Resultaterne viser, blandt andet, at hvis aksioner udgør hovedparten af ​​mørkt stof, de skal have en masse på 50 til 1500 mikroelektronvolt, udtrykt i de sædvanlige enheder inden for partikelfysik, og dermed være op til ti milliarder gange lettere end elektroner. Dette ville kræve, at hver kubikcentimeter af universet i gennemsnit indeholder ti millioner sådanne ultralette partikler. Mørkt stof spredes ikke jævnt i universet, imidlertid, men danner klumper og grene af et weblignende netværk. På grund af dette, vores lokale region af Mælkevejen bør indeholde omkring en billion aksioner pr. kubikcentimeter.

Takket være Jülich -supercomputeren, Beregningerne giver fysikerne nu et konkret område, hvor deres søgning efter aksioner sandsynligvis vil være mest lovende. "De resultater, vi præsenterer, vil sandsynligvis føre til et kapløb om at opdage disse partikler, "siger Fodor. Deres opdagelse ville ikke kun løse problemet med mørkt stof i universet, men besvar samtidig spørgsmålet om, hvorfor den stærke interaktion er så overraskende symmetrisk med hensyn til tidsomvendelse. Forskerne forventer, at det vil være muligt inden for de næste par år at enten bekræfte eller udelukke eksistensen af ​​aksioner eksperimentelt.

Instituttet for nuklear forskning ved det ungarske videnskabsakademi i Debrecen, Lendület Lattice Gauge Theory Research Group ved Eötvös University, universitetet i Zaragoza i Spanien, og Max Planck Institute for Physics i München var også involveret i forskningen.