Des simulations record de la formation de structures cosmiques à grande échelle
Les neutrinos laissés par le Big Bang peuvent désormais être reproduits avec précision dans de nouveaux modèles de structure cosmique
La dynamique complexe des neutrinos insaisissables laissés dans l’Univers à la suite du Big Bang peut désormais être reproduite avec précision à l’aide de nouveaux modèles de construction de la structure cosmique.
Des chercheurs de l’université de Tsukuba, de l’université de Kyoto et de l’université de Tokyo ont collaboré à cette étude, qui a été publiée dans SC’21 : Proceedings of the International Conference on High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis.
Bien que les neutrinos soient beaucoup plus légers que toutes les autres particules connues, leur masse exacte reste inconnue. Mesurer cette masse pourrait aider les scientifiques à développer des hypothèses au-delà du modèle standard de la physique des particules et à tester d’autres explications du développement de l’univers.
Une stratégie viable pour identifier cette masse consiste à réaliser des simulations et à comparer les résultats aux observations de son effet sur la création de structures à grande échelle. Toutefois, ces simulations doivent être très précises.
Les simulations standard utilisent des approches connues sous le nom de N-corps basés sur les particules, qui présentent deux inconvénients majeurs lorsqu’il s’agit de neutrinos massifs, explique M. Naoki Yoshida, chercheur principal à l’Institut Kavli de physique et de mathématiques de l’Université de Tokyo.
Tout d’abord, les résultats de la simulation sont sensibles aux oscillations aléatoires appelées « bruit de grenaille ». De plus, ces méthodes basées sur les particules sont incapables de reproduire avec précision l’amortissement non collisionnel, un processus fondamental dans lequel les neutrinos se déplacent rapidement les uns les autres, accélérant ainsi la croissance des structures dans l’univers.
Pour contourner ces difficultés, les chercheurs ont suivi directement la dynamique des neutrinos massifs en résolvant une équation de base de la physique des plasmas, connue sous le nom d’équation de Vlasov.
Contrairement aux recherches précédentes, ils ont résolu cette équation dans un espace de phase complet à six dimensions, ce qui signifie que les six dimensions associées à l’espace et à la vitesse ont été prises en compte.
L’équipe a combiné la simulation de Vlasov avec une simulation à N corps basée sur des particules de matière noire froide, le principal constituant de la matière dans l’univers. Ils ont exécuté leurs simulations hybrides sur le superordinateur Fugaku du Centre des sciences informatiques du RIKEN.
L’auteur principal de l’étude, le professeur Koji Yoshikawa, déclare : « Notre plus grande simulation combine de manière cohérente la modélisation de 400 trillions de grilles de Vlasov avec les calculs de 330 milliards de corps et reproduit avec précision la dynamique complexe des neutrinos cosmiques. »
En outre, notre simulation prend beaucoup moins de temps à résoudre que les plus grandes simulations de N-corp, et les performances s’échelonnent assez bien avec jusqu’à 147 456 nœuds (7 millions de cycles CPU) sur Fugaku.
En plus d’aider à déterminer la masse des neutrinos, les chercheurs suggèrent que leur schéma pourrait être utilisé pour étudier les phénomènes impliquant les plasmas électrostatiques et magnétiques, ainsi que les systèmes autogravitants.