Os físicos que procuram – sem sucesso – o candidato mais favorito de hoje para a matéria escura, o áxion, estão procurando no lugar errado, de acordo com uma nova simulação de supercomputador de como os áxions foram produzidos logo após o Big Bang 13,6 bilhões de anos atrás.
Usando novas técnicas de cálculo e um dos maiores computadores do mundo, Benjamin Safdi, professor assistente de física da Universidade da Califórnia, Berkeley; Malte Buschmann, pesquisador associado de pós-doutorado na Universidade de Princeton; e colegas do MIT e do Lawrence Berkeley National Laboratory simularam a era em que os áxions teriam sido produzidos, aproximadamente um bilionésimo de bilionésimo de bilionésimo de segundo depois que o universo surgiu e após a época da inflação cósmica.
A simulação no National Research Scientific Computing Center (NERSC) do Berkeley Lab descobriu que a massa do áxion é duas vezes maior do que os teóricos e experimentadores pensavam: entre 40 e 180 microelétron volts (micro-eV, ou μeV), ou cerca de um 10 – bilionésimo da massa do elétron. Há indicações, disse Safdi, de que a massa está próxima de 65 μeV. Desde que os físicos começaram a procurar o áxion há 40 anos, as estimativas da massa variaram amplamente, de alguns μeV a 500 μeV.
“Nós fornecemos uma melhoria de mais de mil vezes na faixa dinâmica de nossas simulações de áxions em relação ao trabalho anterior e esclarecemos uma questão de 40 anos sobre a massa do áxion e a cosmologia do áxion”, disse Safdi.
A massa mais definitiva significa que o tipo mais comum de experimento para detectar essas partículas indescritíveis – uma câmara de ressonância de micro-ondas contendo um campo magnético forte, na qual os cientistas esperam conseguir a conversão de um áxion em uma onda eletromagnética fraca – não será capaz detectá-los, não importa o quanto o experimento seja ajustado. A câmara teria que ser menor do que alguns centímetros de lado para detectar a onda de alta frequência de um axion de maior massa, disse Safdi, e esse volume seria muito pequeno para capturar axions suficientes para o sinal subir acima do ruído. .
“Nosso trabalho fornece a estimativa mais precisa até o momento da massa do áxion e aponta para uma faixa específica de massas que não está sendo explorada atualmente em laboratório”, disse ele. “Eu realmente acho que faz sentido concentrar esforços experimentais em massas de áxions de 40 a 180 μeV, mas há muito trabalho se preparando para ir atrás dessa faixa de massa”.
Um tipo mais novo de experimento, um haloscópio de plasma, que procura por excitações de axion em um metamaterial – um plasma de estado sólido – deve ser sensível a uma partícula de axion dessa massa e poderia detectar uma.
“Os estudos básicos dessas matrizes tridimensionais de fios finos funcionaram incrivelmente bem, muito melhor do que esperávamos”, disse Karl van Bibber, professor de engenharia nuclear da UC Berkeley que está construindo um protótipo do haloscópio de plasma enquanto também participando de uma pesquisa de áxion na cavidade de microondas chamada de experimento HAYSTAC. “O último resultado de Ben é muito animador. Se o cenário pós-inflação estiver correto, depois de quatro décadas, a descoberta do áxion pode ser bastante acelerada.”
Se os áxions realmente existem.
O trabalho foi publicado em 25 de fevereiro na revista Nature Communications.
Axion principal candidato para matéria escura
A matéria escura é uma substância misteriosa que os astrônomos sabem que existe – ela afeta os movimentos de todas as estrelas e galáxias – mas que interage tão fracamente com as estrelas e galáxias que escapou à detecção. Isso não significa que a matéria escura não possa ser estudada e até mesmo pesada. Os astrônomos sabem com bastante precisão quanta matéria escura existe na Via Láctea e até mesmo em todo o universo: 85% de toda a matéria no cosmos.
Até o momento, as pesquisas de matéria escura se concentraram em objetos compactos massivos no halo de nossa galáxia (chamados de objetos maciços compactos de halo, ou MACHOs), partículas massivas de interação fraca (WIMPs) e até buracos negros invisíveis. Nenhum apareceu como um provável candidato.
“A matéria escura é a maior parte da matéria do universo, e não temos ideia do que seja. Uma das questões mais importantes de toda a ciência é: ‘O que é matéria escura?'”, disse Safdi. “Suspeitamos que seja uma nova partícula que não conhecemos, e o áxion pode ser essa partícula. Pode ser criado em abundância no Big Bang e estar flutuando por aí explicando observações que foram feitas em astrofísica.”
Embora não seja estritamente um WIMP, o áxion também interage fracamente com a matéria normal. Ele passa facilmente pela terra sem interrupção. Foi proposto em 1978 como uma nova partícula elementar que poderia explicar por que o spin do nêutron não precessa ou oscila em um campo elétrico. O áxion, segundo a teoria, suprime essa precessão no nêutron.
“Até hoje, o áxion é a melhor ideia que temos sobre como explicar essas observações estranhas sobre o nêutron”, disse Safdi.
Na década de 1980, o áxion começou a ser visto também como candidato à matéria escura, e foram lançadas as primeiras tentativas de detecção de áxions. Usando as equações da teoria bem vetada das interações de partículas fundamentais, o chamado Modelo Padrão, além da teoria do Big Bang, o Modelo Cosmológico Padrão, é possível calcular a massa precisa do áxion, mas as equações são tão difícil que até agora temos apenas estimativas, que variaram imensamente. Como a massa é conhecida de forma tão imprecisa, as buscas empregando cavidades de micro-ondas – receptores de rádio essencialmente elaborados – devem sintonizar milhões de canais de frequência para tentar encontrar aquele que corresponde à massa do áxion.
“Com esses experimentos de axion, eles não sabem em qual estação devem estar sintonizados, então eles precisam examinar muitas possibilidades diferentes”, disse Safdi.
Safdi e sua equipe produziram a mais recente, embora incorreta, estimativa de massa de áxions que os experimentalistas estão mirando atualmente. Mas enquanto trabalhavam em simulações aprimoradas, eles abordaram uma equipe do Berkeley Lab que havia desenvolvido um código especializado para uma melhor técnica de simulação chamada refinamento de malha adaptável. Durante as simulações, uma pequena parte do universo em expansão é representada por uma grade tridimensional sobre a qual as equações são resolvidas. No refinamento de malha adaptável, a grade é mais detalhada em torno de áreas de interesse e menos detalhada em torno de áreas do espaço onde nada acontece. Isso concentra o poder de computação nas partes mais importantes da simulação.
A técnica permitiu à simulação de Safdi ver milhares de vezes mais detalhes em torno das áreas onde os áxions são gerados, permitindo uma determinação mais precisa do número total de áxions produzidos e, dada a massa total de matéria escura no universo, a massa do áxion. A simulação empregou 69.632 núcleos de unidade de processamento de computador físico (CPU) do supercomputador Cori com quase 100 terabytes de memória de acesso aleatório (RAM), tornando a simulação uma das maiores simulações de matéria escura de qualquer tipo até hoje.
A simulação mostrou que após a época inflacionária, pequenos tornados, ou vórtices, se formam como cordas de corda no universo primitivo e lançam áxions como cavaleiros empurrados de um bronco.
“Você pode pensar nessas cordas como compostas de áxions abraçando os vórtices enquanto essas cordas giram formando laços, conectando, passando por muitos processos dinâmicos violentos durante a expansão do nosso universo, e os áxions abraçando os lados dessas cordas estão tentando espere o passeio”, disse Safdi. “Mas quando algo muito violento acontece, eles simplesmente são jogados para longe dessas cordas. E esses axions que são jogados para fora das cordas acabam se tornando a matéria escura muito mais tarde.”
Ao acompanhar os áxions que são lançados, os pesquisadores são capazes de prever a quantidade de matéria escura que foi criada.
O refinamento de malha adaptável permitiu que os pesquisadores simulassem o universo por muito mais tempo do que as simulações anteriores e em uma área muito maior do universo do que as simulações anteriores.
“Nós resolvemos a massa do áxion de uma maneira mais inteligente e também lançando o máximo de poder de computação possível para esse problema”, disse Safdi. “Nós nunca poderíamos simular todo o nosso universo porque é muito grande. Mas não precisamos estimular todo o nosso universo. Só precisamos simular um pedaço grande o suficiente do universo por um período de tempo longo o suficiente, de modo que capturemos todos das dinâmicas que sabemos que estão contidas nessa caixa.”
A equipe está trabalhando com um novo cluster de supercomputação que está sendo construído no Berkeley Lab que permitirá simulações que fornecerão uma massa ainda mais precisa. Chamado Perlmutter, em homenagem a Saul Perlmutter, físico da UC Berkeley e Berkeley Lab que ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2011 por descobrir a expansão acelerada do universo impulsionada pela chamada energia escura, o supercomputador de próxima geração quadruplicará o poder de computação do NERSC .
“Queremos fazer simulações ainda maiores em resolução ainda maior, o que nos permitirá diminuir essas barras de erro, esperamos até o nível de 10%, para que possamos dizer um número muito preciso, como 65 mais ou menos 2 micro-eV Isso realmente muda o jogo experimentalmente, porque se tornaria um experimento mais fácil verificar ou excluir o áxion em uma faixa de massa tão estreita”, disse Safdi.
Para van Bibber, que não fazia parte da equipe de simulação de Safdi, a nova estimativa de massa testa os limites das cavidades de micro-ondas, que funcionam menos bem em altas frequências. Assim, enquanto o limite inferior da faixa de massa ainda está dentro da capacidade de detecção do experimento HAYSTAC, ele está entusiasmado com o haloscópio de plasma.
“Ao longo dos anos, a nova compreensão teórica afrouxou as restrições sobre a massa do áxion; pode estar em qualquer lugar dentro de 15 ordens de magnitude, se você considerar a possibilidade de que os áxions se formaram antes da inflação. Tornou-se uma tarefa insana para os experimentalistas”, disse van Bibber. , que detém a cadeira de liderança e inovação Shankar Sastry da UC Berkeley. “Mas um artigo recente do grupo teórico de Frank Wilczek em Estocolmo pode ter resolvido o enigma de fazer um ressonador que poderia ser simultaneamente muito grande em volume e muito alto em frequência. Um ressonador real para um experimento real ainda está longe, mas isso poderia ser o caminho a percorrer para chegar à massa prevista de Safdi.”
Uma vez que as simulações dão uma massa ainda mais precisa, o áxion pode, de fato, ser fácil de encontrar.
“Foi realmente crucial que nos unimos a essa equipe de ciência da computação no Berkeley Lab”, disse Safdi. “Nós realmente expandimos além do campo da física e realmente transformamos isso em um problema de ciência da computação.”
Publicado em 01/03/2022 18h50
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