Simulasi Memperhalus Massa Axion, Memfokuskan Pencarian Materi Gelap
Fisikawan yang mencari—tidak berhasil—untuk kandidat materi gelap yang paling disukai saat ini, axion, telah mencari di tempat yang salah, menurut simulasi superkomputer baru tentang bagaimana axion diproduksi tak lama setelah Big Bang 13,6 miliar tahun lalu.
Menggunakan teknik perhitungan baru dan salah satu komputer terbesar di dunia, Benjamin Safdi, asisten profesor fisika di University of California, Berkeley; Malte Buschmann, peneliti pascadoktoral di Universitas Princeton; dan rekan-rekan di MIT dan Lawrence Berkeley National Laboratory mensimulasikan era ketika axion akan diproduksi, kira-kira sepermiliar dari sepermiliar miliar detik setelah alam semesta muncul dan setelah zaman inflasi kosmik.
Simulasi di National Research Scientific Computing Center (NERSC) Berkeley Lab menemukan massa axion dua kali lebih besar dari yang diperkirakan para ahli teori dan peneliti: antara 40 dan 180 mikroelektron volt (mikro-eV, atau eV) , atau sekitar sepersepuluh miliar massa elektron. Ada indikasi, kata Safdi, massanya mendekati 65 eV . Sejak fisikawan mulai mencari axion 40 tahun yang lalu, perkiraan massa telah bervariasi, dari beberapa eV hingga 500 eV .
"Kami memberikan peningkatan lebih dari seribu kali lipat dalam rentang dinamis dari simulasi axion kami relatif terhadap pekerjaan sebelumnya dan menjernihkan pertanyaan berusia 40 tahun mengenai massa axion dan kosmologi axion," kata Safdi.
Massa yang lebih definitif berarti bahwa jenis eksperimen yang paling umum untuk mendeteksi partikel-partikel yang sulit dipahami ini—ruang resonansi gelombang mikro yang berisi medan magnet kuat, di mana para ilmuwan berharap untuk menghentikan konversi axion menjadi gelombang elektromagnetik yang redup—tidak akan mampu untuk mendeteksi mereka, tidak peduli berapa banyak percobaan tweak. Ruangan itu harus lebih kecil dari beberapa sentimeter di satu sisi untuk mendeteksi gelombang frekuensi tinggi dari axion bermassa lebih tinggi, kata Safdi, dan volume itu akan terlalu kecil untuk menangkap axion yang cukup untuk sinyal naik di atas kebisingan. .
"Pekerjaan kami memberikan perkiraan paling tepat hingga saat ini massa axion dan menunjuk ke kisaran massa tertentu yang saat ini tidak dieksplorasi di laboratorium," katanya. "Saya benar-benar berpikir masuk akal untuk memfokuskan upaya eksperimental pada massa aksial 40 hingga 180 eV, tetapi ada banyak pekerjaan yang bersiap untuk mengejar rentang massa itu."
Satu jenis eksperimen yang lebih baru, haloscope plasma, yang mencari eksitasi axion dalam metamaterial—plasma solid-state—harus peka terhadap partikel axion dengan massa ini, dan berpotensi mendeteksinya.
"Studi dasar dari susunan tiga dimensi dari kabel halus ini telah bekerja dengan sangat baik, jauh lebih baik dari yang kami harapkan," kata Karl van Bibber, seorang profesor teknik nuklir UC Berkeley yang sedang membangun prototipe haloscope plasma sambil juga berpartisipasi dalam pencarian axion rongga gelombang mikro yang disebut percobaan HAYSTAC. "Hasil terakhir Ben sangat menarik. Jika skenario pasca-inflasi benar, setelah empat dekade, penemuan axion bisa sangat dipercepat."
Jika axion benar-benar ada. Karya tersebut akan diterbitkan 25 Februari di jurnal Nature Communications .
Kandidat teratas Axion untuk materi gelap
Materi gelap adalah zat misterius yang diketahui para astronom—ia memengaruhi pergerakan setiap bintang dan galaksi—tetapi berinteraksi sangat lemah dengan materi bintang dan galaksi sehingga tidak dapat terdeteksi. Itu tidak berarti materi gelap tidak dapat dipelajari dan bahkan ditimbang. Para astronom tahu persis berapa banyak materi gelap yang ada di Galaksi Bima Sakti dan bahkan di seluruh alam semesta: 85% dari semua materi di kosmos.
Hingga saat ini, pencarian materi gelap telah difokuskan pada objek padat masif di halo galaksi kita (disebut objek halo kompak masif, atau MACHO), partikel masif yang berinteraksi lemah (WIMP), dan bahkan lubang hitam yang tak terlihat. Tidak ada yang muncul sebagai calon yang mungkin.
"Materi gelap adalah sebagian besar materi di alam semesta, dan kami tidak tahu apa itu. Salah satu pertanyaan paling menonjol dalam semua sains adalah, 'Apa itu materi gelap?'" kata Safdi. "Kami menduga itu adalah partikel baru yang tidak kami ketahui, dan axion bisa jadi partikel itu. Itu bisa dibuat dalam jumlah besar di Big Bang dan mengambang di sana menjelaskan pengamatan yang telah dilakukan dalam astrofisika."
Meskipun tidak sepenuhnya merupakan WIMP, axion juga berinteraksi secara lemah dengan materi normal. Ini melewati dengan mudah melalui bumi tanpa gangguan. Diusulkan pada tahun 1978 sebagai partikel elementer baru yang dapat menjelaskan mengapa spin neutron tidak mengalami presesi atau goyangan dalam medan listrik. Axion, menurut teori, menekan presesi ini dalam neutron.
"Sampai hari ini, axion adalah ide terbaik yang kami miliki tentang bagaimana menjelaskan pengamatan aneh tentang neutron ini," kata Safdi.
Pada 1980-an, axion mulai dilihat juga sebagai kandidat materi gelap, dan upaya pertama untuk mendeteksi axion diluncurkan. Dengan menggunakan persamaan teori interaksi partikel fundamental yang diperiksa dengan baik, yang disebut Model Standar, selain teori Ledakan Besar, Model Kosmologi Standar, adalah mungkin untuk menghitung massa tepat axion, tetapi persamaannya adalah sangat sulit sehingga sampai saat ini kami hanya memiliki perkiraan, yang sangat bervariasi. Karena massa diketahui dengan sangat tidak tepat, pencarian yang menggunakan rongga gelombang mikro—pada dasarnya penerima radio yang rumit—harus menelusuri jutaan saluran frekuensi untuk mencoba menemukan saluran yang sesuai dengan massa aksion.
"Dengan eksperimen axion ini, mereka tidak tahu stasiun mana yang harus mereka tala, jadi mereka harus memindai banyak kemungkinan yang berbeda," kata Safdi.
Safdi dan timnya menghasilkan perkiraan massa aksial terbaru, meskipun salah, yang saat ini ditargetkan oleh para eksperimentalis. Tetapi saat mereka mengerjakan simulasi yang ditingkatkan, mereka mendekati tim dari Berkeley Lab yang telah mengembangkan kode khusus untuk teknik simulasi yang lebih baik yang disebut penyempurnaan mesh adaptif. Selama simulasi, sebagian kecil dari alam semesta yang mengembang diwakili oleh kisi tiga dimensi di mana persamaan diselesaikan. Dalam penyempurnaan jaring adaptif, kisi dibuat lebih detail di sekitar area yang diinginkan dan kurang detail di sekitar area ruang di mana tidak ada banyak hal yang terjadi. Ini memusatkan daya komputasi pada bagian terpenting dari simulasi.
Teknik ini memungkinkan simulasi Safdi untuk melihat ribuan kali lebih detail di sekitar area di mana axion dihasilkan, memungkinkan penentuan yang lebih tepat dari jumlah total axion yang dihasilkan dan, mengingat total massa materi gelap di alam semesta, massa axion. Simulasi ini menggunakan 69.632 inti unit pemrosesan komputer fisik (CPU) dari superkomputer Cori dengan hampir 100 terabyte memori akses acak (RAM), menjadikan simulasi salah satu simulasi materi gelap terbesar dalam bentuk apa pun hingga saat ini.
Simulasi menunjukkan bahwa setelah zaman inflasi, tornado kecil, atau vortisitas, terbentuk seperti tali tali di alam semesta awal dan membuang axion seperti pengendara melawan bronco.
"Anda dapat menganggap string ini sebagai terdiri dari axion yang memeluk pusaran sementara string ini berputar di sekitar membentuk loop, menghubungkan, menjalani banyak proses dinamis kekerasan selama perluasan alam semesta kita, dan axion yang memeluk sisi string ini mencoba untuk tunggu perjalanannya," kata Safdi. "Tetapi ketika sesuatu yang terlalu kejam terjadi, mereka akan terlempar dan terlempar dari senar ini. Dan axion yang terlempar dari senar itu akhirnya menjadi materi gelap di kemudian hari."
Dengan melacak axion yang dihilangkan, para peneliti dapat memprediksi jumlah materi gelap yang tercipta.
Penyempurnaan jaring adaptif memungkinkan para peneliti untuk mensimulasikan alam semesta lebih lama dari simulasi sebelumnya dan di atas petak alam semesta yang jauh lebih besar daripada simulasi sebelumnya.
"Kami memecahkan massa axion baik dengan cara yang lebih cerdas dan juga dengan membuang daya komputasi sebanyak mungkin yang bisa kami temukan untuk masalah ini," kata Safdi. "Kita tidak pernah bisa mensimulasikan seluruh alam semesta kita karena terlalu besar. Tapi kita tidak perlu merangsang seluruh alam semesta kita. Kita hanya perlu mensimulasikan bagian alam semesta yang cukup besar untuk jangka waktu yang cukup lama, sehingga kita bisa menangkap semua dinamika yang kita tahu terkandung di dalam kotak itu."
Tim bekerja dengan cluster superkomputer baru yang sekarang sedang dibangun di Berkeley Lab yang akan memungkinkan simulasi yang akan memberikan massa yang lebih presisi. Disebut Perlmutter, setelah Saul Perlmutter, fisikawan UC Berkeley dan Berkeley Lab yang memenangkan Hadiah Nobel Fisika 2011 karena menemukan percepatan perluasan alam semesta yang didorong oleh apa yang disebut energi gelap, superkomputer generasi berikutnya akan melipatgandakan kekuatan komputasi NERSC .
"Kami ingin membuat simulasi yang lebih besar pada resolusi yang lebih tinggi, yang memungkinkan kami untuk mengecilkan bilah kesalahan ini, semoga turun ke level 10%, sehingga kami dapat memberi tahu Anda angka yang sangat tepat, seperti 65 plus atau minus 2 mikro-eV. . Itu kemudian benar-benar mengubah permainan secara eksperimental, karena dengan demikian akan menjadi eksperimen yang lebih mudah untuk memverifikasi atau mengecualikan axion dalam rentang massa yang begitu sempit," kata Safdi.
Untuk van Bibber, yang bukan anggota tim simulasi Safdi, perkiraan massa baru menguji batas rongga gelombang mikro, yang bekerja kurang baik pada frekuensi tinggi. Jadi, sementara batas bawah rentang massa masih dalam kemampuan eksperimen HAYSTAC untuk mendeteksi, ia tertarik dengan haloskop plasma.
"Selama bertahun-tahun, pemahaman teoretis baru telah melonggarkan batasan pada massa axion; itu bisa di mana saja dalam 15 kali lipat, jika Anda mempertimbangkan kemungkinan bahwa axion terbentuk sebelum inflasi. Ini menjadi tugas gila bagi para eksperimentalis," kata van Bibber , yang memegang Ketua Kepemimpinan dan Inovasi Shankar Sastry UC Berkeley. "Tetapi makalah baru-baru ini oleh kelompok teori Stockholm Frank Wilczek mungkin telah memecahkan teka-teki dalam membuat resonator yang dapat secara bersamaan volumenya sangat besar dan frekuensinya sangat tinggi. Resonator yang sebenarnya untuk eksperimen nyata masih jauh, tapi ini bisa menjadi cara untuk pergi ke perkiraan massa Safdi."
Setelah simulasi memberikan massa yang lebih tepat, axion sebenarnya mudah ditemukan.
"Sangat penting bagi kami untuk bekerja sama dengan tim ilmu komputer di Berkeley Lab ini," kata Safdi. "Kami benar-benar berkembang di luar bidang fisika dan benar-benar menjadikan ini masalah ilmu komputasi."
Sumber Jurnal: Dark matter from axion strings with adaptive mesh refinement, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28669-y