SCIENCES.ENERGIES.ENVIRONNEMENR /LE MONDE ETC /W08 / RESTER MODESTES //LE CALCUL N EST QU UN OUTIL!

L a traduction du jour concerne un article universitaire qui cherche à’’ ‘’nous en mettre plein la vue’’ New simulations refine axion mass, refocusing dark matter search by University of California – Berkeley XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX De nouvelles simulations affinent la masse de l'axion, recentrant la recherche de matière noire par l'Université de Californie - Berkeley Dans une simulation de l'univers primitif, peu de temps après le Big Bang, des Cordes en forme de tornade (boucle bleu foncé) projettent des particules d'axion. Ces axions devraient encore exister aujourd'hui et pourraient être la matière noire recherchée par les astrophysiciens. Crédit : Malte Buschmann, Université de Princeton Les physiciens à la recherche - sans succès - du candidat le plus favorisé aujourd'hui pour la matière noire, l'axion, ont cherché au mauvais endroit, selon une nouvelle simulation de superordinateur de la façon dont les axions ont été produits peu après le Big Bang il y a 13,6 milliards d'années. Utilisant de nouvelles techniques de calcul et l'un des plus grands ordinateurs du monde, Benjamin Safdi, professeur adjoint de physique à l'Université de Californie à Berkeley ; Malte Buschmann, chercheur postdoctoral à l'Université de Princeton ; et des collègues du MIT et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont simulé l'époque où les axions auraient été produits, environ un milliardième de milliardième de milliardième de seconde après la création de l'univers et après l'époque de l'inflation cosmique. La simulation au National Research Scientific Computing Center (NERSC) de Berkeley Lab a révélé que la masse de l'axion était plus de deux fois plus grande que ce que les théoriciens et les expérimentateurs pensaient : entre 40 et 180 microélectrons volts (micro-eV ou μeV), soit environ un 10 -milliardième de la masse de l'électron. Il y a des indications, a déclaré Safdi, que la masse soit proche de 65 μeV. Depuis que les physiciens ont commencé à rechercher l'axion il y a 40 ans, les estimations de la masse ont largement varié, de quelques μeV à 500 μeV. "Nous fournissons une amélioration de plus de mille fois la plage dynamique de nos simulations d'axions par rapport aux travaux antérieurs et clarifions une question vieille de 40 ans concernant la masse des axions et la cosmologie des axions", a déclaré Safdi. La masse plus définitive signifie que le type d'expérience le plus courant pour détecter ces particules insaisissables - une chambre de résonance à micro-ondes contenant un champ magnétique puissant, dans laquelle les scientifiques espèrent accrocher la conversion d'un axion en une faible onde électromagnétique - ne pourra pas pour les détecter, peu importe à quel point l'expérience est peaufinée. La chambre devrait être plus petite que quelques centimètres de côté pour détecter l'onde à haute fréquence d'un axion de masse plus élevée, a déclaré Safdi, et ce volume serait trop petit pour capturer suffisamment d'axions pour que le signal dépasse le bruit. . "Notre travail fournit l'estimation la plus précise à ce jour de la masse de l'axion et indique une gamme spécifique de masses qui n'est actuellement pas explorée en laboratoire", a-t-il déclaré. "Je pense vraiment qu'il est logique de concentrer les efforts expérimentaux sur des masses d'axions de 40 à 180 μeV, mais il y a beaucoup de travail qui se prépare pour atteindre cette plage de masses." Un type d'expérience plus récent, un haloscope à plasma, qui recherche les excitations d'axions dans un métamatériau - un plasma à l'état solide - devrait être sensible à une particule d'axion de cette masse et pourrait potentiellement en détecter une. "Les études de base de ces réseaux tridimensionnels de fils fins ont étonnamment bien fonctionné, bien mieux que ce à quoi nous nous attendions", a déclaré Karl van Bibber, professeur de génie nucléaire à l'UC Berkeley, qui construit un prototype d'haloscope à plasma tout en participant à une recherche d'axions en cavité micro-ondes appelée expérience HAYSTAC. "Le dernier résultat de Ben est très excitant. Si le scénario post-inflation est correct, après quatre décennies, la découverte de l'axion pourrait être grandement accélérée." Si les axions existent vraiment. Les travaux seront publiés le 25 février dans la revue Nature Communications. Axion, meilleur candidat pour la matière noire La matière noire est une substance mystérieuse dont les astronomes savent qu'elle existe - elle affecte les mouvements de chaque étoile et galaxie - mais qui interagit si faiblement avec la substance des étoiles et des galaxies qu'elle a échappé à la détection. Cela ne signifie pas que la matière noire ne peut pas être étudiée et même pesée. Les astronomes savent assez précisément quelle quantité de matière noire existe dans la Voie lactée et même dans l'univers entier : 85 % de toute la matière du cosmos. À ce jour, les recherches sur la matière noire se sont concentrées sur des objets compacts massifs dans le halo de notre galaxie (appelés objets halo compacts massifs, ou MACHO), des particules massives à faible interaction (WIMP) et même des trous noirs invisibles. Aucun n'a trouvé de candidat probable. "La matière noire est la majeure partie de la matière de l'univers, et nous n'avons aucune idée de ce que c'est. L'une des questions les plus importantes de toute la science est:" Qu'est-ce que la matière noire? "", A déclaré Safdi. "Nous soupçonnons qu'il s'agit d'une nouvelle particule que nous ignorons, et l'axion pourrait être cette particule. Elle pourrait être créée en abondance dans le Big Bang et flotter là-bas, expliquant les observations qui ont été faites en astrophysique." Bien qu'il ne soit pas strictement un WIMP, l'axion interagit également faiblement avec la matière normale. Il traverse facilement la terre sans perturbation. Il a été proposé en 1978 comme une nouvelle particule élémentaire qui pourrait expliquer pourquoi le spin du neutron ne précède pas ou n'oscille pas dans un champ électrique. L'axion, selon la théorie, supprime cette précession dans le neutron. PHOTO/Un zoom sur une petite partie de la simulation du supercalculateur de l'univers primitif montre la formation de défauts topologiques appelés cordes (jaunes), qui se tordent et vibrent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Lorsque les cordes se tordent, vibrent et rétrécissent, elles émettent un rayonnement sous la forme d'axions ( en bleu). Ce rayonnement axionique pourrait alors devenir la matière noire de notre univers. Le but de cette simulation est de mesurer avec précision la quantité de rayonnement d'axion produite par le réseau de cordes qui se rétrécit, et à partir de cela, de calculer la masse attendue de la particule d'axion. Crédit : Malte Buschmann, Université de Princeton "Encore à ce jour, l'axion est la meilleure idée que nous ayons sur la façon d'expliquer ces observations étranges sur le neutron", a déclaré Safdi. Dans les années 1980, l'axion a commencé à être considéré également comme un candidat pour la matière noire, et les premières tentatives de détection des axions ont été lancées. En utilisant les équations de la théorie bien établie des interactions fondamentales des particules, le soi-disant modèle standard, en plus de la théorie du Big Bang, le modèle cosmologique standard, il est possible de calculer la masse précise de l'axion, mais les équations sont si difficile qu'à ce jour nous n'avons que des estimations, qui ont énormément varié. Étant donné que la masse est connue de manière si imprécise, les recherches utilisant des cavités micro-ondes - essentiellement des récepteurs radio élaborés - doivent syntoniser des millions de canaux de fréquence pour essayer de trouver celui correspondant à la masse de l'axion. "Avec ces expériences d'axions, ils ne savent pas sur quelle station ils sont censés se régler, ils doivent donc parcourir de nombreuses possibilités différentes", a déclaré Safdi. Safdi et son équipe ont produit l'estimation de masse d'axion la plus récente, bien qu'incorrecte, que les expérimentateurs ciblent actuellement. Mais alors qu'ils travaillaient sur des simulations améliorées, ils ont approché une équipe de Berkeley Lab qui avait développé un code spécialisé pour une meilleure technique de simulation appelée raffinement de maillage adaptatif. Lors des simulations, une petite partie de l'univers en expansion est représentée par une grille tridimensionnelle sur laquelle les équations sont résolues. Dans le raffinement de maillage adaptatif, la grille est rendue plus détaillée autour des zones d'intérêt et moins détaillée autour des zones de l'espace où il ne se passe pas grand-chose. Cela concentre la puissance de calcul sur les parties les plus importantes de la simulation. La technique a permis à la simulation de Safdi de voir des milliers de fois plus de détails autour des zones où les axions sont générés, permettant une détermination plus précise du nombre total d'axions produits et, étant donné la masse totale de matière noire dans l'univers, la masse des axions. La simulation a utilisé 69 632 cœurs d'unité de traitement informatique physique (CPU) du superordinateur Cori avec près de 100 téraoctets de mémoire vive (RAM), faisant de la simulation l'une des plus grandes simulations de matière noire de tout type à ce jour. La simulation a montré qu'après l'époque inflationniste, de petites tornades, ou vortex, se forment comme des cordes cordées dans l'univers primitif et rejettent des axions comme des cavaliers se sont opposés à un broncho (un cheval rétif ou sauvage !). "Vous pouvez penser à ces cordes comme étant composées d'axions étreignant les tourbillons tandis que ces cordes tourbillonnent en formant des boucles, se connectant, subissant de nombreux processus dynamiques violents pendant l'expansion de notre univers, et les axions étreignant les côtés de ces cordes essaient de attendez pour le trajet », a déclaré Safdi. "Mais quand quelque chose de trop violent se produit, ils sont simplement éjectés et s'éloignent de ces cordes. Et ces axions qui sont éjectés des cordes finissent par devenir la matière noire beaucoup plus tard." En gardant une trace des axions qui sont éliminés, les chercheurs sont en mesure de prédire la quantité de matière noire qui a été créée. Le raffinement adaptatif du maillage a permis aux chercheurs de simuler l'univers beaucoup plus longtemps que les simulations précédentes et sur une portion beaucoup plus grande de l'univers que les simulations précédentes. "Nous résolvons la masse de l'axion à la fois de manière plus intelligente et en consacrant autant de puissance de calcul que possible à ce problème", a déclaré Safdi. "Nous ne pourrions jamais simuler notre univers entier parce qu'il est trop grand. Mais nous n'avons pas besoin de stimuler tout notre univers. Nous avons juste besoin de simuler une partie suffisamment grande de l'univers pendant une période suffisamment longue, de sorte que nous capturions tout de la dynamique que nous connaissons , contenue dans cette boîte." L'équipe travaille avec un nouveau cluster de supercalcul en cours de construction au Berkeley Lab qui permettra des simulations qui fourniront une masse encore plus précise. Appelé Perlmutter, du nom de Saul Perlmutter, un physicien de l'UC Berkeley et du Berkeley Lab qui a remporté le prix Nobel de physique 2011 pour avoir découvert l'accélération de l'expansion de l'univers entraînée par la soi-disant énergie noire, le supercalculateur de nouvelle génération quadruplera la puissance de calcul du NERSC . Nous voulons faire des simulations encore plus grandes à une résolution encore plus élevée, ce qui nous permettra de réduire ces barres d'erreur, espérons-le jusqu'au niveau de 10 %, afin que nous puissions vous donner un nombre très précis, comme 65 plus ou moins 2 micro-eV. Cela change alors vraiment le jeu expérimentalement, car il deviendrait alors une expérience plus facile de vérifier ou d'exclure l'axion dans une plage de masse aussi étroite", a déclaré Safdi. Pour van Bibber, qui ne faisait pas partie de l'équipe de simulation de Safdi, la nouvelle estimation de masse teste les limites des cavités micro-ondes, qui fonctionnent moins bien aux hautes fréquences. Ainsi, alors que la limite inférieure de la plage de masse est toujours dans la capacité de détection de l'expérience HAYSTAC, il est enthousiasmé par l'haloscope à plasma. "Au fil des ans, une nouvelle compréhension théorique a assoupli les contraintes sur la masse des axions ; elle peut être n'importe où dans les 15 ordres de grandeur, si vous considérez la possibilité que les axions se soient formés avant l'inflation. C'est devenu une tâche insensée pour les expérimentateurs", a déclaré van Bibber. , titulaire de la chaire Shankar Sastry de leadership et d'innovation de l'UC Berkeley. "Mais un article récent du groupe de théorie de Frank Wilczek à Stockholm a peut-être résolu l'énigme de la fabrication d'un résonateur qui pourrait être à la fois très grand en volume et très élevé en fréquence. Un véritable résonateur pour une véritable expérience est encore loin, mais cela pourrait être la voie à suivre pour arriver à la masse prédite de Safdi." Une fois que les simulations donnent une masse encore plus précise, l'axion peut, en fait, être facile à trouver. "Il était vraiment crucial que nous puissions nopus joindre avec cette équipe d'informatique de Berkeley Lab", a déclaré Safdi. "Nous nous sommes vraiment étendus au-delà du domaine de la physique et en avons fait un problème de science informatique." XXXXXXXXXXXXXXXX Explore further Study sheds light on axion dark matter More information: Dark matter from axion strings with adaptive mesh refinement, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28669-y Journal information: Nature Communications Provided by University of California – Berkeley XXXXXXXXX MON COMMENTAIRE Soyons froidement réalistes :bigbang et période d’inflation restent des hypothèses ..Je ne me laisse pas impressionner par les moyens calcul et par l’informatique , pas plus que par la modélisation …En revanche j’estime que si leur résultat final aboutit a définir un processus de manip au laboratoire , il ne reste plus qu’à la réaliser !!!Et là je crains qu’une mesure de masse sur une particule neutre s’avère très délicate …. Par ailleurs toute mesure effectuée sur un volume précis de halo galactique ne peut préciser que la masse globale restant invisible et non pas le nombre de particules auquel elle doit être attribuée …. J’aurais tendance a trouver inutile d’ accumuler universités profs , labos superordinateurs et multi modèles …NE … NE NOUS LAISSONS PAS INFLUENCER PAR L’ACCUMULATION DES MOYENS ! … …