Группе ученых из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) удалось создать программу, которая моделирует рождение и поведение нескольких классов частиц гипотетической темной материи.
В новой разработке также принимали участие молодые специалисты Томского политехнического университета. Исследователи объясняют, что подобные прогнозы нужны, чтобы проектировать детекторы, которые пытаются «уловить» новые элементарные частицы.
Эксперимент NA64 проводится на протонном суперсинхротроне (Super Proton Synchrotron, SPS) — кольцевом ускорителе частиц ЦЕРНа.
Томский политех с 2020 года официально стал ассоциированным членом коллаборации NA64. Эксперты ТПУ анализируют данные, которые поступают с детекторов, моделируют постановки эксперимента, а также занимаются общими работами.
Другими словами, перед учеными стоит задача — создать условия, при которых будут образовываться частицы темной материи.
Многие специалисты предполагают, что темная материя состоит из массивных частиц, о которых на сегодняшний день ничего не известно. Ученые хотят доказать существования темной материи, чтобы объяснить такие астрофизические явления как аномальная скорость вращения внешних областей галактик, особенности реликтового излучения, движения звездных скоплений и их столкновений, и, непосредственно, объяснить происхождение самой Вселенной.
«Чтобы создавать детекторы, которые способны регистрировать такие частицы, предсказанные теоретически, нужно понимать, а что же нам регистрировать. Для этого важно заранее смоделировать, предсказать свойства и поведение частиц. Сделать это можно с помощью статистических генераторов методами Монте-Карло. Наша коллаборация разработала такой генератор для четырех возможных классов легкой темной материи. Они похожи между собой условиями рождения через механизм электромагнитного смешивания. Он создан на основе известного инструмента для моделирования, ранее разработанного в ЦЕРНе, — Geant4. Несмотря на то, что он общедоступный, работа с ним и создание для него новых модулей требуют серьезной квалификации», — рассказал Ренат Дусаев – один из авторов статьи, инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ.
Новый генератор составляет прогноз на основе уже известных данных о частицах, среди которых квантовые числа, масса, константы связи и так далее.
«Эффективность генератора, то есть быстродействие программы, зависит от мажорирующей функции. И вот ее нужно удачно подобрать, это зависит от чистой математической интуиции. В данном случае нам удалось подобрать хороший вариант, который позволяет генератору работать максимально эффективно, насколько это в принципе возможно. Часть Томского политеха — это как раз работа с мажорирующей функцией и интеграция модулей с Geant4», — объясняет Дусаев.
Другими словами, исходные данные помогают новому математическому генератору моделировать движение, рассеивание, а также частоту появления частиц.
«Прежде всего, нас интересуют параметры — как часто частицы могут появляться и куда они летят. Это крайне важно для постановки эксперимента», — в заключении добавил ученый Дусаев.
