宇宙大尺度結構形成的破紀錄模擬

筑波——目前對宇宙結構形成的模擬并不能準確再現(xiàn)自宇宙開始以來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，來自的一個研究團隊設計了一種方法來解決這個問題。

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

中微子比所有其他已知粒子輕得多，但它們的確切質量仍然是個謎。測量這個質量可以幫助科學家開發(fā)出超越粒子物理學標準模型的理論，并測試對宇宙如何演化的解釋。確定這種質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大規(guī)模結構形成的影響，并將結果與??觀察結果進行比較。但是這些模擬需要非常準確。

“標準模擬使用稱為基于粒子的N體方法的技術，當涉及到大量中微子時，該技術有兩個主要缺點，”Kavli 宇宙物理和數學研究所首席研究員 Naoki Yoshida 博士解釋說。東京大學。“首先，模擬結果容易受到稱為散粒噪聲的隨機波動的影響。其次，這些基于粒子的方法無法準確再現(xiàn)無碰撞阻尼——這是快速移動的中微子抑制宇宙結構增長的關鍵過程。”

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中稱為 Vlasov 方程的中心方程來跟蹤大量中微子的動力學。與之前的研究不同，他們在完整的六維相空間中求解了這個方程，這意味著與空間和速度相關的所有六個維度都被考慮在內。該團隊將這種 Vlasov 模擬與基于粒子的冷暗物質N體模擬相結合，冷暗物質是宇宙中物質的主要成分。他們在 RIKEN 計算科學中心的超級計算機 Fugaku 上進行了混合模擬。

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