Physiker, die – erfolglos – nach dem heute beliebtesten Kandidaten für dunkle Materie, dem Axion, suchen, haben laut einer neuen Supercomputersimulation, wie Axionen kurz nach dem Urknall vor 13,6 Milliarden Jahren hergestellt wurden, an der falschen Stelle gesucht.
Unter Verwendung neuer Rechentechniken und eines der größten Computer der Welt hat Benjamin Safdi, Assistenzprofessor für Physik an der University of California, Berkeley; Malte Buschmann, Postdoktorand an der Princeton University; und Kollegen am MIT und am Lawrence Berkeley National Laboratory simulierten die Ära, in der Axionen produziert worden wären, etwa ein Milliardstel einer Milliardstel einer Milliardstel Sekunde nach der Entstehung des Universums und nach der Epoche der kosmischen Inflation.
Die Simulation im National Research Scientific Computing Center (NERSC) von Berkeley Lab ergab, dass die Masse des Axions mehr als doppelt so groß ist, wie Theoretiker und Experimentatoren angenommen haben: zwischen 40 und 180 Mikroelektronenvolt (Mikro-eV, oder μeV), oder etwa ein 10-Milliardstel der Masse des Elektrons. Es gibt Hinweise, sagte Safdi, dass die Masse nahe bei 65 liegt μeV. Seit Physiker vor 40 Jahren mit der Suche nach dem Axion begannen, sind die Schätzungen der Masse weit gestreut, von einigen wenigen μeV bis 500 μeV.
„Wir bieten eine über tausendfache Verbesserung des dynamischen Bereichs unserer Axion-Simulationen im Vergleich zu früheren Arbeiten und klären eine 40 Jahre alte Frage zur Axion-Masse und Axion-Kosmologie“, sagte Safdi.
Die eindeutigere Masse bedeutet, dass die häufigste Art von Experiment zum Nachweis dieser schwer fassbaren Teilchen – eine Mikrowellenresonanzkammer mit einem starken Magnetfeld, in der Wissenschaftler hoffen, die Umwandlung eines Axions in eine schwache elektromagnetische Welle zu erwischen – nicht in der Lage sein wird um sie zu erkennen, egal wie sehr das Experiment optimiert wird. Die Kammer müsste kleiner als ein paar Zentimeter an einer Seite sein, um die höherfrequente Welle von einem Axion mit höherer Masse zu erkennen, sagte Safdi, und dieses Volumen wäre zu klein, um genügend Axionen einzufangen, damit das Signal über das Rauschen hinausragt .
„Unsere Arbeit liefert die bisher genaueste Schätzung der Axion-Masse und weist auf einen bestimmten Massenbereich hin, der derzeit nicht im Labor erforscht wird“, sagte er. „Ich denke wirklich, dass es sinnvoll ist, die experimentellen Bemühungen auf Axionmassen von 40 bis 180 μeV zu konzentrieren, aber es gibt eine Menge Arbeit, um diesen Massenbereich zu erreichen.“
Eine neuere Art von Experiment, ein Plasma-Haloskop, das nach Axion-Anregungen in einem Metamaterial – einem Festkörperplasma – sucht, sollte für ein Axion-Teilchen dieser Masse empfindlich sein und könnte möglicherweise eines nachweisen.
„Die grundlegenden Studien dieser dreidimensionalen Anordnungen aus feinen Drähten haben erstaunlich gut funktioniert, viel besser als wir jemals erwartet hatten“, sagte Karl van Bibber, ein Professor für Nukleartechnik an der UC Berkeley, der gleichzeitig einen Prototyp des Plasma-Haloskops baut Teilnahme an einer Axion-Suche in Mikrowellenkavitäten namens HAYSTAC-Experiment. „Bens neuestes Ergebnis ist sehr aufregend. Wenn das Post-Inflations-Szenario stimmt, könnte die Entdeckung des Axions nach vier Jahrzehnten stark beschleunigt werden.“
Wenn Axionen wirklich existieren.
Die Arbeit wird am 25. Februar in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Axion-Spitzenkandidat für Dunkle Materie
Dunkle Materie ist eine mysteriöse Substanz, von der Astronomen wissen, dass sie existiert – sie beeinflusst die Bewegungen jedes Sterns und jeder Galaxie –, die aber so schwach mit dem Stoff von Sternen und Galaxien interagiert, dass sie sich ihrer Entdeckung entzogen hat. Das bedeutet nicht, dass dunkle Materie nicht untersucht und sogar gewogen werden kann. Astronomen wissen ziemlich genau, wie viel Dunkle Materie in der Milchstraße und sogar im gesamten Universum vorhanden ist: 85 % aller Materie im Kosmos.
Bisher konzentrierte sich die Suche nach dunkler Materie auf massive kompakte Objekte im Halo unserer Galaxie (Massive Compact Halo Objects oder MACHOs genannt), schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) und sogar unsichtbare Schwarze Löcher. Keiner stellte sich als geeigneter Kandidat heraus.
„Dunkle Materie ist der größte Teil der Materie im Universum, und wir haben keine Ahnung, was es ist. Eine der herausragendsten Fragen in der gesamten Wissenschaft lautet: ‚Was ist dunkle Materie?’“, sagte Safdi. „Wir vermuten, dass es sich um ein neues Teilchen handelt, von dem wir nichts wissen, und das Axion könnte dieses Teilchen sein. Es könnte im Urknall in Hülle und Fülle entstanden sein und dort draußen schweben und Beobachtungen erklären, die in der Astrophysik gemacht wurden.“
Obwohl das Axion nicht unbedingt ein WIMP ist, interagiert es auch schwach mit normaler Materie. Es geht ohne Unterbrechung leicht durch die Erde. Es wurde 1978 als neues Elementarteilchen vorgeschlagen, das erklären könnte, warum der Spin des Neutrons in einem elektrischen Feld nicht präzediert oder wackelt. Das Axion unterdrückt laut Theorie diese Präzession im Neutron.
Das Vergrößern eines kleinen Teils der Supercomputer-Simulation des frühen Universums zeigt die Bildung topologischer Defekte, sogenannter Strings (gelb), die sich winden und mit annähernd Lichtgeschwindigkeit vibrieren. Wenn sich die Saiten drehen, vibrieren und schrumpfen, senden sie Strahlung in Form von Axionen (blau) aus. Diese Axionenstrahlung könnte dann zur Dunklen Materie in unserem Universum werden. Das Ziel dieser Simulation ist es, genau zu messen, wie viel Axion-Strahlung durch das schrumpfende Fadennetzwerk erzeugt wird, und daraus die erwartete Masse des Axion-Teilchens zu berechnen. Bildnachweis: Malte Buschmann, Princeton University
„Bis heute ist das Axion die beste Idee, die wir haben, um diese seltsamen Beobachtungen über das Neutron zu erklären“, sagte Safdi.
In den 1980er Jahren wurde das Axion auch als Kandidat für dunkle Materie angesehen und die ersten Versuche zum Nachweis von Axionen wurden gestartet. Unter Verwendung der Gleichungen der gut geprüften Theorie grundlegender Teilchenwechselwirkungen, des sogenannten Standardmodells, zusätzlich zur Theorie des Urknalls, des kosmologischen Standardmodells, ist es möglich, die genaue Masse des Axions zu berechnen, aber die Gleichungen sind es so schwierig, dass wir bisher nur Schätzungen haben, die sehr unterschiedlich sind. Da die Masse so ungenau bekannt ist, müssen Suchen mit Mikrowellenhohlräumen – im Wesentlichen komplizierte Funkempfänger – Millionen von Frequenzkanälen durchlaufen, um zu versuchen, denjenigen zu finden, der der Axion-Masse entspricht.
„Bei diesen Axion-Experimenten wissen sie nicht, auf welchen Sender sie eingestellt werden sollen, also müssen sie viele verschiedene Möglichkeiten absuchen“, sagte Safdi.
Safdi und sein Team erstellten die neueste, wenn auch falsche Axion-Massenschätzung, auf die Experimentatoren derzeit abzielen. Aber als sie an verbesserten Simulationen arbeiteten, wandten sie sich an ein Team von Berkeley Lab, das einen spezialisierten Code für eine bessere Simulationstechnik entwickelt hatte, die als adaptive Mesh-Verfeinerung bezeichnet wird. Bei Simulationen wird ein kleiner Teil des expandierenden Universums durch ein dreidimensionales Gitter repräsentiert, über dem die Gleichungen gelöst werden. Bei der adaptiven Netzverfeinerung wird das Gitter um Bereiche von Interesse detaillierter und um Bereiche im Raum, in denen nicht viel passiert, weniger detailliert. Dadurch wird die Rechenleistung auf die wichtigsten Teile der Simulation konzentriert.
Die Technik ermöglichte es Safdis Simulation, tausendmal mehr Details in den Bereichen zu sehen, in denen Axionen erzeugt werden, was eine genauere Bestimmung der Gesamtzahl der erzeugten Axionen und angesichts der Gesamtmasse der Dunklen Materie im Universum der Axionmasse ermöglichte. Die Simulation verwendete 69.632 physische CPU-Kerne des Cori-Supercomputers mit fast 100 Terabyte Arbeitsspeicher (RAM), was die Simulation zu einer der bisher größten Simulationen dunkler Materie aller Art macht.
Die Simulation zeigte, dass sich nach der Inflationsepoche kleine Tornados oder Wirbel im frühen Universum wie Seilschnüre bilden und Axionen abwerfen wie Reiter, die von einem Bronco buckeln.
„Man kann sich diese Saiten als zusammengesetzt aus Axionen vorstellen, die die Wirbel umarmen, während diese Saiten umherwirbeln, Schleifen bilden, sich verbinden, während der Expansion unseres Universums viele heftige dynamische Prozesse durchlaufen, und die Axionen, die die Seiten dieser Saiten umarmen, versuchen dies warten Sie auf die Fahrt“, sagte Safdi. „Aber wenn etwas zu Gewalttätiges passiert, werden sie einfach abgeworfen und von diesen Saiten weggeschleudert. Und diese Axionen, die von den Saiten abgeworfen werden, werden viel später zur dunklen Materie.“
Indem sie die abgeschlagenen Axionen verfolgen, können die Forscher die Menge der entstandenen Dunklen Materie vorhersagen.
Die adaptive Netzverfeinerung ermöglichte es den Forschern, das Universum viel länger als frühere Simulationen und über einen viel größeren Bereich des Universums als frühere Simulationen zu simulieren.
„Wir lösen die Axion-Masse sowohl auf cleverere Weise als auch, indem wir so viel Rechenleistung wie möglich auf dieses Problem werfen“, sagte Safdi. „Wir könnten niemals unser gesamtes Universum simulieren, weil es zu groß ist. Aber wir müssen nicht unser gesamtes Universum stimulieren. Wir müssen nur einen ausreichend großen Fleck des Universums über einen ausreichend langen Zeitraum simulieren, damit wir alles erfassen können der Dynamik, von der wir wissen, dass sie in dieser Kiste enthalten ist.“
Das Team arbeitet mit einem neuen Supercomputing-Cluster, das derzeit im Berkeley Lab gebaut wird und Simulationen ermöglichen wird, die eine noch präzisere Masse liefern. Der Supercomputer der nächsten Generation, benannt nach Saul Perlmutter, einem Physiker der UC Berkeley und des Berkeley Lab, der 2011 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums erhielt, die von der sogenannten Dunklen Energie angetrieben wird, wird die Rechenleistung von NERSC vervierfachen .
„Wir wollen noch größere Simulationen mit noch höherer Auflösung machen, was es uns ermöglicht, diese Fehlerbalken zu verkleinern, hoffentlich auf das 10-Prozent-Niveau, damit wir Ihnen eine sehr genaue Zahl nennen können, wie 65 plus oder minus 2 Mikro-eV . Das ändert dann wirklich das experimentelle Spiel, denn dann wäre es ein einfacheres Experiment, das Axion in einem so engen Massenbereich zu verifizieren oder auszuschließen“, sagte Safdi.
Für van Bibber, der kein Mitglied von Safdis Simulationsteam war, testet die neue Massenschätzung die Grenzen von Mikrowellenhohlräumen, die bei hohen Frequenzen weniger gut funktionieren. Während also die untere Grenze des Massenbereichs noch im HAYSTAC-Experiment detektiert werden kann, ist er vom Plasma-Haloskop begeistert.
„Im Laufe der Jahre hat ein neues theoretisches Verständnis die Beschränkungen für die Axion-Masse gelockert; sie kann irgendwo innerhalb von 15 Größenordnungen liegen, wenn man die Möglichkeit in Betracht zieht, dass sich Axionen vor der Inflation gebildet haben. Es ist zu einer verrückten Aufgabe für Experimentatoren geworden“, sagte van Bibber , Inhaber des Shankar Sastry Chair of Leadership and Innovation der UC Berkeley. „Aber eine kürzlich erschienene Arbeit der Stockholmer Theoriegruppe von Frank Wilczek hat möglicherweise das Rätsel gelöst, einen Resonator zu bauen, der gleichzeitig sowohl ein sehr großes Volumen als auch eine sehr hohe Frequenz haben könnte. Ein tatsächlicher Resonator für ein echtes Experiment ist noch weit entfernt, aber das hier könnte der Weg sein, um zu Safdis vorhergesagter Masse zu gelangen.“
Sobald Simulationen eine noch genauere Masse ergeben, kann das Axion tatsächlich leicht zu finden sein.
„Es war wirklich entscheidend, dass wir uns mit diesem Informatikteam im Berkeley Lab zusammengetan haben“, sagte Safdi. „Wir sind wirklich über das Gebiet der Physik hinausgewachsen und haben dies tatsächlich zu einem Problem der Informatik gemacht.“
Dunkle Materie aus Axion-Strings mit adaptiver Netzverfeinerung, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28669-y