As simulações atuais da formação da estrutura cósmica não reproduzem com precisão as propriedades das partículas semelhantes a fantasmas, chamadas neutrinos, que estão presentes no Universo desde o seu início. Mas agora, uma equipe de pesquisa do Japão desenvolveu uma abordagem que resolve esse problema.
Em um estudo publicado este mês na Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis, pesquisadores da Universidade de Tsukuba, da Universidade de Kyoto e da Universidade de Tóquio relatam simulações que seguem precisamente a dinâmica de tais neutrinos relíquias cósmicas . Este estudo foi selecionado como finalista para o 2021 ACM Gordon Bell Prize (awards.acm.org/bell), que reconhece realizações notáveis em computação de alto desempenho.
Os neutrinos são muito mais leves do que todas as outras partículas conhecidas, mas sua massa exata permanece um mistério. Medir essa massa pode ajudar os cientistas a desenvolver teorias que vão além do modelo padrão da física de partículas e testar as explicações de como o Universo evoluiu. Uma maneira promissora de determinar essa massa é estudar o impacto dos neutrinos relíquias cósmicas na formação de estruturas em grande escala usando simulações e comparar os resultados com as observações. Mas essas simulações precisam ser extremamente precisas.
“As simulações padrão usam técnicas conhecidas como métodos de N-corpos baseados em partículas, que têm duas desvantagens principais quando se trata de neutrinos massivos”, explica o Dr. Naoki Yoshida, Pesquisador Principal do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo, o Universidade de Tóquio. “Em primeiro lugar, os resultados da simulação são suscetíveis a flutuações aleatórias chamadas ruído de tiro. E, em segundo lugar, esses métodos baseados em partículas não podem reproduzir com precisão o amortecimento sem colisão – um processo-chave no qual os neutrinos em movimento rápido suprimem o crescimento da estrutura no Universo.” Para evitar esses problemas, os pesquisadores seguiram a dinâmica dos neutrinos massivos resolvendo diretamente uma equação central na física do plasma conhecida como equação de Vlasov. Ao contrário de estudos anteriores, eles resolveram essa equação em um espaço de fase hexadimensional completo, o que significa que todas as seis dimensões associadas ao espaço e à velocidade foram consideradas. A equipe combinou esta simulação de Vlasov com uma simulação de N-corpo baseada em partículas de matéria escura fria – o principal componente da matéria no Universo. Eles realizaram suas simulações híbridas no supercomputador Fugaku no RIKEN Center for Computational Science.
“Nossa maior simulação combina de forma autoconsistente a simulação de Vlasov em 400 trilhões de grades com cálculos de 330 bilhões de corpos e reproduz com precisão a dinâmica complexa dos neutrinos cósmicos”, diz o autor principal do estudo, o professor Koji Yoshikawa. “Além disso, o tempo de solução para nossa simulação é substancialmente mais curto do que para as maiores simulações de N-body, e o desempenho é extremamente bem dimensionado com até 147.456 nós (7 milhões de núcleos de CPU) no Fugaku.”
Além de ajudar a determinar a massa do neutrino, os pesquisadores sugerem que seu esquema poderia ser usado para estudar, por exemplo, fenômenos envolvendo plasma eletrostático e magnetizado e sistemas autogravitantes.
Publicado em 04/12/2021 10h31
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