Новый математический генератор помогает ученым предсказывать поведение частиц темной материи
Исследователи разработали программу, моделирующую рождение и поведение нескольких классов частиц гипотетической темной материи. Такие прогнозы необходимы для проектирования детекторов, пытающихся «уловить» новые элементарные частицы.
СЛОВАРЬ
ЦЕРН — Европейская организация по ядерным исследованиям. Находится в Женеве (Швейцария). Именно в ЦЕРНе построен и работает Большой адронный коллайдер.
Реликтовое излучение — свет от первичной плазмы ранней Вселенной, который сейчас регистрируется в виде микроволнового фона. Считается, что это остаточное свечение Большого взрыва. Благодаря нему теория Большого взрыва стала стандартной теорией о Вселенной.
Методы Монте-Карло — группа численных методов для изучения случайных процессов. Их название происходит от района Монте-Карло, известного своими казино.
Квантовые числа – целые или дробные числа, определяющие возможные значения физических величин молекулы, атома, атомного ядра, элементарной частицы.
Если собрать всю известную ученым материю — планеты, звезды, галактики, газ, — то она составит, по разным оценкам, только от 5 до 15% массы Вселенной. Все, что за пределами этого небольшого числа, ученые называют темной материей. Она никак не взаимодействует с электромагнитными волнами, а значит, невидима для большинства существующих приборов.
Однако частицы темной материи вступают в гравитационные взаимодействия, и потому ученые уверены, что они всё-таки существуют. Иначе сложно объяснить нетипичное поведение некоторых галактик, искажение света далеких звезд и многие другие наблюдения.
Эксперимент NA64 проводится на протонном суперсинхротроне (Super Proton Synchrotron, SPS) — кольцевом ускорителе частиц ЦЕРНа. С 2020 года Томский политех официально стал ассоциированным членом коллаборации NA64. Ученые ТПУ анализируют данные, поступающие с детекторов, моделируют постановку эксперимента и принимают участие в общих работах.
Задача эксперимента — создать условия, при которых могли бы образовываться частицы темной материи. Предполагается, что темная материя, существование которой допускает целый ряд космологических наблюдений, состоит из неизвестных на сегодняшний день массивных частиц. Доказательство существования темной материи необходимо для объяснения астрофизических явлений вроде аномальной скорости вращения внешних областей галактик, особенностей реликтового излучения, движения звездных скоплений и их столкновений, а также для объяснения самого происхождения Вселенной.
«Чтобы создавать детекторы, которые способны регистрировать такие частицы, предсказанные теоретически, нужно понимать, а что же нам регистрировать. Для этого важно заранее смоделировать, предсказать свойства и поведение частиц. Сделать это можно с помощью статистических генераторов методами Монте-Карло. Наша коллаборация разработала такой генератор для четырех возможных классов легкой темной материи. Они похожи между собой условиями рождения через механизм электромагнитного смешивания», — рассказал один из авторов статьи, инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ренат Дусаев.
Генератор делает прогноз на основе тех данных о частицах, которые уже известны. Точнее — считаются теоретически предсказанными. Это, например, их квантовые числа, масса, константы связи и так далее.
«Эффективность генератора, то есть быстродействие программы, зависит от мажорирующей функции. И вот ее нужно удачно подобрать, это зависит от чистой математической интуиции. В данном случае нам удалось подобрать хороший вариант, который позволяет генератору работать максимально эффективно, насколько это в принципе возможно», — отметил ученый.
На основе исходных данных генератор моделирует поведение частиц: их движение, рассеивание, частоту появления.
«Прежде всего нас интересуют параметры — как часто частицы могут появляться, и куда они летят. Это крайне важно для постановки эксперимента», — добавил Ренат Дусаев.
Устройство генератора описано в статье, опубликованной в журнале Computer Physics Communications (Q1).