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宇宙におけるニュートリノの分布や動き明らかに―6次元の数値シミュレーションに初めて成功:筑波大学ほか

(2020年12月1日発表)

ブラソフシミュレーションによる、宇宙大規模構造形成におけるニュートリノ密度分布。非常になめらかで、細かい密度の濃淡も明瞭に捉えることができる。(提供:筑波大学計算科学研究センター吉川耕司)

 筑波大学と京都大学、東京大学の共同研究グループは12月1日、宇宙に大量に存在しながら、質量や分布状態が分かっていない素粒子ニュートリノの謎解明に道を開く高精度な数値シミュレーションに世界で初めて成功したと発表した。

 ニュートリノの集団的な運動を正確に調べることができるようになり、ニュートリノの質量を測定するための理論モデルの構築が可能になったという。

 ニュートリノは、宇宙初期の段階から大量に存在している、電気的に中性で、ほんのわずかな質量を持つとされている素粒子。

 素粒子物理学の標準模型理論では、ニュートリノは光と同様に質量がゼロとして扱われてきたが、日本の素粒子実験などでニュートリノには質量があることが分かり、宇宙大規模構造の形成へのニュートリノの影響が浮上、近年、それを理論的かつ詳細に予言するための数値シミュレーションが試みられている。

 ただ、このシミュレーションには人工的な数値ノイズが含まれてしまったり、連続的な成分を忠実にサンプリングできないなどの問題があり、正確なシミュレーションになっていない可能性が指摘されていた。

 研究グループは、物質の連続的な空間分布や速度分布をサンプリングするのではなく、連続的な分布として数値シミュレーションする手法を用いて、宇宙大規模構造におけるニュートリノ運動のシミュレーションを行った。

 用いたのは、多数の粒子の集団的な振る舞いを記述するブラソフ方程式という式を数値シミュレーションで解くというもの。これには膨大な記憶容量と計算量が必要なため、これまで試みられた例はなかったが、研究グループは日本の最速級のスーパーコンピュータを利用、少ない記憶容量で高精度にブラソフ方程式を数値シミュレーションする計算手法を組み合わせ、ブラソフ方程式を直接解き、宇宙を高速で飛び交うニュートリノの6次元数値シミュレーションに世界で初めて成功した。

 これによって、ニュートリノの集団的な運動の様子を正確に調べることができるようになり、ニュートリノの質量を正確に測定することに道が開かれたという。