Qual a massa de um neutrino? Essa simulação do universo tentará descobrir

Simulações de computador que bateram recordes de formação de estruturas em grande escala no universo foram usadas para compreender a dinâmica de neutrinos que restaram do Big Bang. O objetivo era descobrir a massa exata dessas partículas, também conhecidas como “partículas fantasmas”.

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Neutrinos são tão sutis e difíceis de detectar que os cientistas já cogitaram que eles nem sequer teriam massa. Mas novas detecções mostraram que eles podem vir em “sabores” diferentes e oscilam entre si à medida que se movem. Se eles podem mudar enquanto viajam pelo espaço, precisam ter alguma massa.

Uma equipe de cientistas em Tsukuba, Japão, usou simulações do universo conhecidas como N-body, mas com algumas mudanças. É que enquanto essas simulações são muito boas para mostrar a interação entre corpos cósmicos, e até mesmo átomos, elas não são tão precisas para calcular o comportamento de partículas sub-atômicas.

Como explica o Dr. Naoki Yoshida, da Universidade de Tóquio, os resultados da simulação de N-body “são suscetíveis a flutuações aleatórias”. Além disso, esse método “não pode reproduzir com precisão o amortecimento sem colisão — um processo-chave no qual os neutrinos em movimento rápido suprimem o crescimento da estrutura no universo”.

As simulações de B-body podem prever as interações de partículas clássicas, mas objetos quânticos como neutrinos não seguem as mesmas regras — eles são conhecidos por interagir com a gravidade e forças subatômicas fracas. Então, a equipe usou uma equação da física do plasma chamada simulação de Vlasov.

Essa nova simulação aborda diretamente em seis dimensões, o que evita os principais problemas associados às simulações convencionais N-body. Os pesquisadores a colocaram para rodar em um supercomputador no RIKEN Center for Computational Sciences, no Japão, que calcula o que acontece com as partículas conforme passa o tempo do universo simulado.

Na imagem acima, a simulação com os neutrinos representados (parte inferior) é comparada com o modelo de matéria escura fria, usado para explicar as observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, da sigla em inglês). Os autores têm como alvo neutrinos que teriam surgido no início do universo e, teoricamente, deixaram um "rastro", assim como a CMB.

De acordo com o físico Koji Yoshikawa, principal autor do estudo, essa simulação recordista “combina de forma autoconsistente a simulação de Vlasov em 400 trilhões de grades com cálculos de 330 bilhões de corpos e reproduz com precisão a dinâmica complexa dos neutrinos cósmicos".

Este é apenas o começo da investigação, no entanto. Novos trabalhos ainda são necessários para ajustar os detalhes até que a massa dos neutrinos cósmicos — especificamente aqueles considerados relíquias dos instantes após o Big Bang — ganhe novas restrições e valores mais aproximados que aqueles obtidos em métodos anteriores.

O estudo foi publicado na página do SC '21: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis.

Fonte: ACM Digital Library; via: Science Alert, EurekAlert