Khối lượng của một neutrino là bao nhiêu? Vấn đề này đã làm phật lòng các nhà vật lý trong nhiều thập kỷ. Nó rất nhỏ, không nghi ngờ gì nữa, nhưng do một trong những đặc điểm cơ bản nhất của hạt, nó không thể bằng không. Điều này vẫn còn nhiều chỗ để phỏng đoán.
Giống như hầu hết các câu đố khác, giải pháp có thể được tìm ra bằng cách suy nghĩ bên ngoài.
Các nhà vật lý từ Đại học Tsukuba, Đại học Kyoto và Đại học Tokyo ở Nhật Bản đã ghi nhớ lời khuyên này, sử dụng một phương pháp mới mang tính cách mạng để mô hình hóa một phần đáng kể của Vũ trụ để hoạt động như một nơi thử nghiệm ảnh hưởng tinh vi của neutrino lên sự phát triển của vũ trụ.
Đó là một ý tưởng đã được thử nghiệm trước đây . Nhưng bằng cách áp dụng một mô phỏng được sử dụng trong các lĩnh vực vật lý khác, các nhà nghiên cứu đằng sau mô hình mới này nghĩ rằng họ có thể khắc phục một số thiếu sót của phương pháp trước đó.
Neutrino đã là một phần lý thuyết của mô hình vật lý chuẩn từ năm 1930, và là một thành viên được xác nhận kể từ khi chúng được khám phá thí nghiệm vào giữa những năm 1950.
Về mặt kỹ thuật, hạt giống ma này không có khối lượng như một photon. Nhưng hơn hai mươi năm trước, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng chúng không chỉ có nhiều dạng, hay ‘mùi vị’, chúng còn dao động giữa chúng khi chúng di chuyển.
Chính vì lý do này, các nhà vật lý tin tưởng rằng neutrino phải có một khối lượng nào đó . Ngay cả khi đó là một bộ râu không có gì. Nếu neutrino không có khối lượng, chúng sẽ chuyển động với tốc độ ánh sáng trong chân không, và nếu đúng như vậy, thời gian sẽ đứng yên đối với chúng, vì vậy chúng sẽ không thay đổi chút nào.
Các cuộc tìm kiếm một khối lượng chính xác bằng các phương pháp trong phòng thí nghiệm đã đặt ra những giới hạn trên về mức độ lớn của một hạt neutrino có thể có, giới hạn nó ở mức 1 / 500.000 của một electron đơn lẻ. Vì vậy, thật an toàn khi nói rằng ở đâu đó giữa zip và 1 / 500.000 khối lượng của một electron, chúng ta có câu trả lời.
Phương pháp mới này có thể đưa chúng ta đến gần con số đó hơn một chút, mặc dù phải thừa nhận rằng, việc tái tạo lại hầu hết một Vũ trụ để cân một thứ gần như không tồn tại không phải là không có sự trớ trêu của nó.
May mắn thay, những gì mà neutrino khiêm tốn thiếu trong cú đấm mà nó bù lại với số lượng tuyệt đối.
Ngay từ những khoảnh khắc sớm nhất trong thời gian, neutrino đã là một phần của Vũ trụ với số lượng đáng kể, tự nó bay ra khỏi chân không quay trong vòng giây đầu tiên của Vụ nổ lớn .
Cũng giống như tiếng ồn tĩnh của bức xạ còn sót lại mà chúng ta vẫn thấy như một nền vi sóng vũ trụ , một nền trung tính tích điện của những di tích neutrino này bao quanh chúng ta cho đến ngày nay.
Có rất ít nghi ngờ rằng khối lượng neutrino di tích sẽ có một số loại ảnh hưởng đến các cấu trúc mới nổi của Vũ trụ. Không dễ dàng để tìm ra loại hiệu ứng chính xác.
Trong một mô hình vật lý điển hình của một cái gì đó như hệ mặt trời, hoặc thậm chí một loạt các nguyên tử, bạn có thể chọn một số đối tượng, xác định hành vi của chúng đối với nhau, lập bản đồ chúng trong không gian 3D và để máy tính tính toán những gì xảy ra. thời gian.
Muốn có nhiều đối tượng hơn? Nhận một máy tính nhanh hơn và thêm chúng vào.
Các mô phỏng ‘N-body’ như vậy có thể hoạt động tốt cho các mô phỏng quy mô lớn. Nhưng chúng có giới hạn của chúng, đặc biệt là khi cọ xát với vật lý có bản chất lượng tử hơn.
Các vật thể lượng tử như neutrino khối lượng lớn không hoạt động theo các quy tắc giống như các hạt cổ điển. Neutrino chỉ được biết là tương tác với lực hấp dẫn và lực hạ nguyên tử yếu, vì vậy thật khó để nói các loại neutrino khác nhau đã khuấy động Vũ trụ sơ khai như thế nào.
Trong mô hình mới này, các nhà nghiên cứu đã mượn một phương trình từ vật lý plasma được gọi là mô phỏng Vlasov. Thay vì coi neutrino di tích như những vật thể cổ điển rời rạc, các phương trình dựa trên plasma cho phép nhóm nghiên cứu mô tả chúng như thể chúng là một môi trường liên tục.
Việc chạy mô phỏng trên một siêu máy tính tại Trung tâm Khoa học Tính toán RIKEN ở Nhật Bản đã chứng minh rằng chương trình này có thể được sử dụng trên nhiều quy mô, dẫn đến các biểu diễn khá chính xác về cấu trúc của hầu hết các Vũ trụ có thể quan sát được.
Tác giả chính của nghiên cứu, nhà vật lý Koji Yoshikawa từ Đại học Tokyo cho biết: “Mô phỏng lớn nhất của chúng tôi tự kết hợp mô phỏng Vlasov trên 400 nghìn tỷ lưới với tính toán 330 tỷ vật thể và nó tái tạo chính xác động lực học phức tạp của neutrino vũ trụ” .
Công việc trong tương lai sẽ cần thiết để điều chỉnh các chi tiết để hy vọng có thể phóng to một con số chính xác hơn cho khối lượng của neutrino di tích. Tuy nhiên, đó là một sự đổi mới đã giành được sự công nhận của nhóm dưới hình thức vị trí lọt vào vòng chung kết trong Giải thưởng ACM Gordon Bell năm 2021 .
Cách thức mới mang tính cách mạng của họ để mô hình hóa các cấu trúc quy mô lớn theo cách này không chỉ là một chiến thắng tiềm năng cho các nhà vật lý đang mong muốn tìm hiểu chính xác khối lượng của một lệnh neutrino; nó cũng có thể có các ứng dụng trong vật lý plasma.
Nghiên cứu này đã được xuất bản trong SC ’21: Kỷ yếu của Hội nghị Quốc tế về Máy tính, Mạng, Lưu trữ và Phân tích Hiệu suất cao.
Theo Sciencealert.
