宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的破紀(jì)錄模擬

筑波——目前對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)形成的模擬并不能準(zhǔn)確再現(xiàn)自宇宙開始以來(lái)就存在于宇宙中的被稱為中微子的幽靈狀粒子的特性。但是現(xiàn)在，來(lái)自的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種方法來(lái)解決這個(gè)問題。

本月發(fā)表在SC '21:Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis 上的一項(xiàng)研究中，筑波大學(xué)、京都大學(xué)和東京大學(xué)的研究人員報(bào)告了精確遵循動(dòng)態(tài)計(jì)算的模擬這樣的宇宙遺跡中微子。這項(xiàng)研究被選為 2021 年 ACM 戈登貝爾獎(jiǎng) (https://awards.acm.org/bell) 的決賽入圍者，該獎(jiǎng)旨在表彰高性能計(jì)算領(lǐng)域的杰出成就。

中微子比所有其他已知粒子輕得多，但它們的確切質(zhì)量仍然是個(gè)謎。測(cè)量這個(gè)質(zhì)量可以幫助科學(xué)家開發(fā)出超越粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，并測(cè)試對(duì)宇宙如何演化的解釋。確定這種質(zhì)量的一種有前途的方法是使用模擬研究宇宙遺跡中微子對(duì)大規(guī)模結(jié)構(gòu)形成的影響，并將結(jié)果與??觀察結(jié)果進(jìn)行比較。但是這些模擬需要非常準(zhǔn)確。

“標(biāo)準(zhǔn)模擬使用稱為基于粒子的N體方法的技術(shù)，當(dāng)涉及到大量中微子時(shí)，該技術(shù)有兩個(gè)主要缺點(diǎn)，”Kavli 宇宙物理和數(shù)學(xué)研究所首席研究員 Naoki Yoshida 博士解釋說(shuō)。東京大學(xué)。“首先，模擬結(jié)果容易受到稱為散粒噪聲的隨機(jī)波動(dòng)的影響。其次，這些基于粒子的方法無(wú)法準(zhǔn)確再現(xiàn)無(wú)碰撞阻尼——這是快速移動(dòng)的中微子抑制宇宙結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)的關(guān)鍵過程。”

為了避免這些問題，研究人員通過直接求解等離子體物理學(xué)中稱為 Vlasov 方程的中心方程來(lái)跟蹤大量中微子的動(dòng)力學(xué)。與之前的研究不同，他們?cè)谕暾牧S相空間中求解了這個(gè)方程，這意味著與空間和速度相關(guān)的所有六個(gè)維度都被考慮在內(nèi)。該團(tuán)隊(duì)將這種 Vlasov 模擬與基于粒子的冷暗物質(zhì)N體模擬相結(jié)合，冷暗物質(zhì)是宇宙中物質(zhì)的主要成分。他們?cè)?RIKEN 計(jì)算科學(xué)中心的超級(jí)計(jì)算機(jī) Fugaku 上進(jìn)行了混合模擬。

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