4 декабря 2020

Создана модель распределения нейтрино во Вселенной

IPMU Плотности распределения нейтрино (слева) и темной материи (справа) в космической крупномасштабной структуре коррелируют между собой IPMU

Японские ученые разработали математический метод, определяющий роль нейтрино в эволюции Вселенной. Моделирование на его основе позволит изучить динамику нейтрино и темной материи, и, в конечном итоге, привести к определению массы нейтрино, считают авторы.

Эффект, который почти безмассовые субатомные частицы, называемые нейтрино, оказывают на формирование галактик, долгое время оставался космологической загадкой, которую физики пытались решить с момента открытия частиц в 1956 году.

Задача осложняется тем, что масса нейтрино в настоящее время неизвестна, а ее значение необходимо для проведения фундаментальных вычислений.

Японские ученые из Университета Цукубы и Токийского университета создали космологическую модель, которая точно отражает роль нейтрино в эволюции Вселенной.

Сначала они решили для нейтрино с различной присвоенной массой знаменитую систему уравнений Власова-Пуассона, которые описывают, как частицы движутся во Вселенной. Этот метод точно представил функцию распределения нейтрино по скоростям и проследил его изменение во времени.

Затем исследователи провели моделирование влияния нейтрино на эволюцию галактик и формирование крупномасштабной структуры Вселенной для различных значений массы нейтрино.

«В более ранних моделях использовались определенные приближения, которые могли быть неверными, — приводятся в пресс-релизе слова ведущего автора исследования Коджи Йошикава (Kohji Yoshikawa), сотрудника Центра вычислительных наук Университета Цукубы. — В нашей работе мы избегали этих приближений, используя технику, которая точно представляет функцию распределения нейтрино по скоростям и отслеживает ее эволюцию во времени».

Результаты моделирования демонстрируют, что богатые нейтрино области коррелируют с массивными скоплениями галактик и что нейтрино подавляют кластеризацию темной материи — «недостающей» массы во Вселенной — и, соответственно, галактик, а также то, что температура нейтрино существенно меняется в зависимости от его массы.

«В целом, наши результаты согласуются как с теоретическими предсказаниями, так и с результатами предыдущих симуляций, — объясняет Йошикава. — Обнадеживает то, что результаты совершенно разных подходов к моделированию согласуются друг с другом».

«Нейтрино — самые легкие частицы, о которых мы знаем. Наши симуляции важны, потому что они устанавливают ограничения на неизвестное значение массы нейтрино»,

— говорит еще один автор исследования доктор Шун Сайто (Shun Saito), космолог из Токийского университета и доцент физики Университета науки и технологий Миссури.

По мнению ученых эта работа представляет собой важную веху в процессе моделирования формирования структуры Вселенной и может в конечном итоге привести к надежному определению массы нейтрино.