超级计算机提供了暗物质的轮廓

导读在寻找神秘的暗物质时，物理学家们使用精心设计的计算机计算来得出这种未知物质的粒子的轮廓。为了做到这一点，科学家扩展了成功的粒子物理

在寻找神秘的暗物质时，物理学家们使用精心设计的计算机计算来得出这种未知物质的粒子的轮廓。为了做到这一点，科学家扩展了成功的粒子物理标准模型，除其他外，它允许他们预测所谓的轴的质量，有希望的暗物质候选者。由布鲁塞尔Eötvös大学伍珀塔尔大学的ZoltánFodor教授和Jülich的ForschungszentrumJülich领导的德国 - 匈牙利研究小组对Jülich的超级计算机JUQUEEN(BlueGene / Q)进行了计算，并将结果展示在Nature杂志上。

“暗物质是一种看不见的物质形式，直到现在它才通过它的引力效应才能显现出来。它所包含的内容仍然是一个完全的谜团，”共同作者安德烈亚斯·林瓦尔德博士解释说，他是DESY的一员，他提出了当前的研究。 。除了其他方面，存在这种物质形式的证据来自星系的天体物理观测，星系旋转太快而不能仅通过可见物质的引力拉在一起。使用欧洲卫星“普朗克”进行的高精度测量表明，整个宇宙质量的近85%由暗物质组成。空间中由常规物质构成的所有恒星，行星，星云和其他物体的比例不超过宇宙质量的15%。

“形容词'黑暗'并不仅仅意味着它不会发出可见光，”Ringwald说。“它似乎也没有发出任何其他波长 - 它与光子的相互作用确实非常微弱。” 几十年来，物理学家一直在寻找这种新型物质的粒子。显而易见的是，这些粒子必须超出粒子物理学的标准模型，虽然该模型非常成功，但它目前仅描述宇宙中所有物质的常规15%。从理论上可能扩展到标准模型物理学家不仅期望更深入地了解宇宙，而且还有具体的线索，在什么能量范围内寻找暗物质候选者特别值得。

未知形式的物质可以由相对较少但非常重的颗粒或大量轻质颗粒组成。在地下实验室中使用大型探测器直接搜索重型暗物质候选物并使用大粒子加速器间接搜索它们仍在继续，但到目前为止尚未发现任何暗物质粒子。一系列物理因素使得极轻的粒子，称为轴，非常有希望的候选者。使用巧妙的实验设置，甚至可以检测到它们的直接证据。“然而，要找到这种证据，了解我们正在寻找什么样的质量将是非常有帮助的，”理论物理学家Ringwald强调说。“否则搜索可能需要数十年，因为人们必须扫描范围太大的范围。”

轴突的存在是通过量子色动力学(QCD)的扩展来预测的，量子色动力学是控制强力相互作用的量子理论，负责核力。强烈的相互作用是自然的四种基本力量之一，伴随着引力，电磁和弱核力，它负责放射性。“理论上的考虑表明量子色动力学中存在所谓的拓扑量子涨落，这应该导致可观察到的时间反转对称性的违反，”Ringwald解释道。这意味着某些流程应根据它们是向前还是向后运行而有所不同。然而，到目前为止还没有实验能够证明这种效果。

量子色动力学(QCD)的扩展恢复了时间反转的不变性，但同时它预测了一个非常弱相互作用的粒子，即轴的存在，其特性，特别是其质量，取决于拓扑量子的强度。波动。然而，像Jülich的JUQUEEN这样的现代超级计算机需要在温度范围内计算后者，这与预测轴心对构成宇宙的物质的相对贡献有关。“除此之外，我们必须开发新的分析方法，以达到所需的温度范围，”领导该研究的Fodor说。

结果表明，除其他外，如果斧子构成了大部分暗物质，它们的质量应为50至1500微电子伏特，以粒子物理学的常规单位表示，因此高达100亿次比电子轻。这将要求每立方厘米的宇宙平均包含一千万个这样的超轻质颗粒。然而，暗物质不会在宇宙中均匀分布，而是形成网状网络的团块和分支。因此，我们银河系的当地区域应该包含每立方厘米大约一万亿的轴。

多亏了Jülich超级计算机，现在的计算为物理学家提供了一个具体的范围，在这个范围内，他们对轴的搜索可能是最有希望的。“我们提出的结果可能会导致发现这些颗粒的竞赛，”福多说。他们的发现不仅解决了宇宙中暗物质的问题，而且同时回答了为什么强相互作用在时间逆转方面如此惊人对称的问题。科学家们预计，在未来几年内，有可能通过实验确认或排除轴的存在。