宇宙を飛び交うニュートリノの動きを明らかに ~世界初の6次元シミュレーションに成功~

2020年12月1日
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)

1. 発表概要
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU) の吉田直紀 (よしだ なおき) 主任研究者 (兼 東京大学大学院理学系研究科教授) やミズーリ州立ミズーリ工科大学助教授を兼ねる斎藤俊 (さいとう しゅん) Kavli IPMU 客員准科学研究員 (2013年4月から2016年3月まで Kavli IPMU 特任研究員として在籍) を含み、筑波大学計算科学研究センターの吉川耕司 (よしかわ こうじ) 講師を中心とする研究グループは、新たに開発したブラソフ方程式の高精度計算手法と、「Oakforest-PACS」(注1) および「京」(注2) といった国内を代表するスーパーコンピュータを組み合わせることによって、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を行うことに、世界で初めて成功しました。これにより、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ための理論モデルの構築が可能となりました。本研究成果は、米国天文学会の発行する天体物理学専門誌アストロフィジカル・ジャーナル (Astrophysical Journal) のオンライン版に2020年11月30日付で掲載されました。

 

2. 発表内容
【研究の背景】
ニュートリノは、原子核のベータ崩壊などの素粒子の弱い相互作用に関わる電気的に中性の素粒子で、重力相互作用以外では他の物質とほとんど相互作用をしないことが知られています。宇宙には、その非常に初期の段階から大量のニュートリノが存在していましたが、素粒子の標準模型 (注3) では光子と同様に質量が0として扱われていたため、宇宙大規模構造 (注4) の形成にはほとんど影響がないと考えられてきました。しかしながら、スーパーカミオカンデなどを用いた素粒子実験によるニュートリノ振動 (注5) 現象の発見によって、ニュートリノにも質量があることが示され、ニュートリノが重力相互作用を通じて宇宙大規模構造形成に力学的な影響を与える可能性が指摘されました。一方、ニュートリノに質量があるという事実は明確になったものの、3種類あるニュートリノの質量や質量の大小関係(質量階層)は、素粒子の標準模型を超える素粒子理論を構築する上で重要であるにも関わらず未だに分かっていません。そこで、宇宙大規模構造形成にニュートリノが与える力学的な影響を天文学的な観測によって測定し、それをもとにニュートリノの質量を測定するアイデアが検討され、同時に、質量を持つニュートリノが宇宙大規模構造形成に与える影響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行われるようになりました。
 

宇宙大規模構造形成の数値シミュレーションでは、物質分布や速度分布を統計的にサンプリングして多数の質点の位置と速度で表現する N 体シミュレーションという手法が採用されています。この手法は過去数十年にわたって研究され、改良が加えられてきましたが、物質分布を統計的にサンプリングすることによって、数値シミュレーションの結果に人工的な数値ノイズ(ショットノイズ)が含まれてしまうという欠点があります。また、ニュートリノが宇宙大規模構造に及ぼす主な力学的影響としては、ニュートリノのうち少数の高速度成分が重要な役割を果たす無衝突減衰 (注6) という物理過程が挙げられますが、統計的なサンプリングでは高速度成分を忠実にサンプリングできず、正確な数値シミュレーションとなっていない可能性が指摘されていました。


【研究内容と成果】
このような N 体シミュレーションの問題点を回避するため、本研究では、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ことなく、連続的な分布として数値シミュレーションを行う手法を用いて、宇宙大規模構造におけるニュートリノ運動の数値シミュレーションを行いました。この手法は、ブラソフ方程式という、多数の粒子の集団的な振る舞いを記述する方程式を数値シミュレーションによって解くもの(ブラソフシミュレーション)ですが、位相空間と呼ばれる空間3次元と速度空間3次元を合わせた合計6次元の仮想的な空間を扱う必要があり、膨大な記憶容量と計算量が必要となるため、これまで実際に採用された例はありませんでした。本研究では、スーパーコンピュータ「Oakforest-PACS」、およびスーパーコンピュータ「京」という国内最先端の大規模スーパーコンピュータと、本研究グループが過去に開発した、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ることで、世界で初めてブラソフシミュレーションを実用化しました。これを用いて、宇宙大規模構造形成におけるダークマターとニュートリノの数値シミュレーションを行い、数値ノイズの全く無い計算結果を得ることに成功しました。その結果、これまでのN体シミュレーションでは数値ノイズに埋もれて正確に求めることが困難であった、ニュートリノの細かいスケールでの密度分布や宇宙大規模構造におけるニュートリノの温度分布が明らかとなり、これらがニュートリノの質量に大きく依存することを見出しました (図1、2) 。

【今後の展開】
今後は、スーパーコンピュータ「京」の後継機となるスーパーコンピュータ「富岳」を用いてさらに高精度なシミュレーションを行い、宇宙大規模構造の観測からニュートリノの質量をより正確に求めていく予定です。このような数値シミュレーション結果は、現在行われている日本のすばる望遠鏡を用いた「Hyper Supreme-Cam すばる戦略プログラム」、Dark Energy Survey や Large Synoptic Survey Telescope 計画、Euclid 計画などの将来の大規模な宇宙大規模構造の観測計画における観測データの解釈にとって重要な役割を果たしうると考えられます。

また、本研究で用いたブラソフシミュレーションの手法は、同様に数値ノイズの悪影響が指摘されているダークマターなどの数値シミュレーションでも威力を発揮すると期待されます。

本研究成果につきましては、筑波大学のプレスリリース記事のページ も併せてご覧ください。

3. 発表雑誌
雑誌名: The Astrophysical Journal
論文タイトル: Cosmological Vlasov-Poisson Simulations of Structure Formation with Relic Neutrinos: Nonlinear Clustering and the Neutrino Mass
著者: Kohji Yoshikawa (1), Satoshi Tanaka (2), Naoki Yoshida (3, 4, 5), Shun Saito (6, 4)
著者所属:
1. Center for Computational Sciences, University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsu-kuba, Ibaraki 305-8577, Japan 
2. Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University, Kitashirakawa Oiwake-Cho, Sakyo-Ku, Kyoto 606-8502, Japan 
3. Department of Physics, The University of Tokyo, Bunkyo, Tokyo 113-0033, Japan 
4. Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, The University of Tokyo, Kashiwa, Chiba 277-8583, Japan 
5. Research Center for the Early Universe, The University of Tokyo, Bunkyo, Tokyo 113-0033, Japan 
6. Institute for Multi-messenger Astrophysics and Cosmology, Department of Physics, Missouri University of Science and Technology, 1315 N Pine St, Rolla, MO 65409

DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abbd46  (2020年11月30日オンライン版掲載)
論文のアブストラクト (Astrophysical Journal のページ)
プレプリント (arXiv.orgのページ)
 

4. 用語解説
(注1) スーパーコンピュータ「Oakforest-PACS」
筑波大学計算科学研究センターと東京大学情報基盤センターが共同運営する「最先端共同 HPC 基盤施設」(JCAHPC: Joint Center for Advanced High Performance Computing)が管理運用する、超並列メニーコアクラスタ。2016年12月より本格運用開始。2016年11月から2017年11月まで国内最高性能。

(注2) スーパーコンピュータ「京」
理化学研究所計算科学研究センターで2019年まで運用されたスーパーコンピュータ。2011年6月から2011年11月まで世界最高性能。2011年6月から2016年11月まで国内最高性能。


(注3) 素粒子の標準模型
クオークやレプトンを基本的な素粒子として、それらの間に働く電磁相互作用・弱い相互作用・強い相互作用を記述する素粒子物理学の理論。

(注4) 宇宙大規模構造
宇宙の銀河の分布が示す非一様な構造。銀河がほとんど存在しない「ボイド」と呼ばれる領域や銀河が多く集まる「フィラメント構造」が存在する。宇宙の質量の大半を占めるダークマターも同様の分布をしており、宇宙初期の非常に小さな密度揺らぎが重力相互作用によって増大して宇宙大規模構造を形成すると考えられている。

(注5) ニュートリノ振動
ニュートリノには電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの3種類の状態があり、ニュートリノが空間を伝搬していく過程でそれぞれの存在確率が周期的に変化する現象。日本の素粒子観測装置スーパーカミオカンデで発見され、ニュートリノが質量をもつ直接的な証拠となっている。

(注6) 無衝突減衰
速度分散をもつ多数の粒子が重力相互作用をする場合、速度分散の大きさに依存したある空間スケール以下の波長をもつ密度揺らぎが時間とともに減衰する現象。速度分散が大きいほどより波長の大きな密度揺らぎが減衰する。


5. 問い合わせ先
(研究内容について)
吉川 耕司(よしかわ こうじ)
筑波大学 計算科学研究センター 講師
URL: https://www2.ccs.tsukuba.ac.jp/Astro/Members/kohji/


(報道に関する連絡先)
筑波大学 計算科学研究センター 広報・戦略室
E-mail: pr_at_ccs.tsukuba.ac.jp
TEL: 029-853-6260
*_at_を@に変更してください

京都大学 総務部広報課 国際広報室
E-mail:comms_at_mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
TEL:075-753-5729
*_at_を@に変更してください

東京大学 国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 広報担当 小森 真里奈
E-mail:press_at_ipmu.jp 
TEL: 04-7136-5977
*_at_を@に変更してください