Simulaciones récord de formación de estructuras cósmicas a gran escala

Nuevas simulaciones de formación de estructuras cósmicas logran reproducir con precisión la compleja dinámica de los elusivos neutrinos que quedaron en el Universo resultado del Big-Bang.

El estudio ha sido publicado en SC '21: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis, por investigadores de la Universidad de Tsukuba, la Universidad de Kyoto y la Universidad de Tokio.

Los neutrinos son mucho más ligeros que todas las demás partículas conocidas, pero su masa exacta sigue siendo un misterio. Medir esta masa podría ayudar a los científicos a desarrollar teorías que vayan más allá del modelo estándar de la física de partículas y probar explicaciones de cómo evolucionó el Universo. Una forma prometedora de precisar esta masa es estudiar su impacto en la formación de estructuras a gran escala mediante simulaciones y comparar los resultados con las observaciones. Pero estas simulaciones deben ser extremadamente precisas.

"Las simulaciones estándar utilizan técnicas conocidas como métodos de cuerpos N basados en partículas, que tienen dos inconvenientes principales cuando se trata de neutrinos masivos", explica el Dr. Naoki Yoshida, investigador principal del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo, en la Universidad de Tokio. "Primero, los resultados de la simulación son susceptibles a fluctuaciones aleatorias llamadas ruido de disparo. Y en segundo lugar, estos métodos basados en partículas no pueden reproducir con precisión la amortiguación sin colisiones, un proceso clave en el que los neutrinos de movimiento rápido suprimen el crecimiento de la estructura en el Universo".

Para evitar estos problemas, los investigadores siguieron la dinámica de los neutrinos masivos resolviendo directamente una ecuación central en la física del plasma conocida como ecuación de Vlasov. A diferencia de estudios anteriores, resolvieron esta ecuación en un espacio de fase de seis dimensiones completo, lo que significa que se consideraron las seis dimensiones asociadas con el espacio y la velocidad. El equipo combinó esta simulación de Vlasov con una simulación de cuerpo N basada en partículas de materia oscura fría, el componente principal de la materia en el Universo. Realizaron sus simulaciones híbridas en la supercomputadora Fugaku en el Centro RIKEN de Ciencias Computacionales.

"Nuestra simulación más grande combina de manera consistente la simulación de Vlasov en 400 billones de cuadrículas con cálculos de 330.000 millones de cuerpos, y reproduce con precisión la dinámica compleja de los neutrinos cósmicos", dice el autor principal del estudio, el profesor Koji Yoshikawa. "Además, el tiempo de solución para nuestra simulación es sustancialmente más corto que el de las simulaciones de cuerpo N más grandes, y el rendimiento escala extremadamente bien con hasta 147.456 nodos (7 millones de núcleos de CPU) en Fugaku".

Además de ayudar a determinar la masa de neutrinos, los investigadores sugieren que su esquema podría usarse para estudiar, por ejemplo, fenómenos que involucran plasma electrostático y magnetizado y sistemas autogravitantes.