Proton-Proton Fusion: Proton-proton-proton-protoner: Kraft til solen
Simuleringer af kvarker i stor skala lover et præcist billede af reaktioner af astrofysisk betydning.
Billede venligst udlånt af William Detmold
Videnskaben
Fusionen af to protoner sætter gang i den primære kernecyklus, der driver Solen. Hastigheden af denne fusion med lav energi og svag vekselvirkning er for lille til at blive målt i laboratoriet. Mens kernemodellernes forudsigelser for denne reaktion er imponerende, ville beregninger uden modeller reducere usikkerhederne og give et mere præcist billede af proton-proton-fusion og beslægtede processer. Ved hjælp af en teknik kaldet lattice quantum chromodynamics har forskerne udført den første vellykkede modeluafhængige beregning af proton-proton-fusionshastigheden direkte ud fra den grundlæggende dynamik for kvarker og gluoner (byggestenene i protoner og atomkerner).
Indflydelse
Dette arbejde baner vejen for beregning af proton-proton-fusionen og lignende nukleare reaktioner af astrofysisk betydning med en ny grad af præcision.
Resumé
The Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), under paraplyen af U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, har udført den første modeluafhængige beregning af hastigheden for proton-proton-fusion direkte ud fra dynamikken af kvarker og gluoner ved hjælp af numeriske teknikker. Hastigheden af denne proces er for lille til at blive målt i laboratoriet i dag af to grunde: den elektrostatiske frastødning mellem de lavenergiske protoner og de små svage vekselvirkningshastigheder. Holdet nåede frem til den teoretiske forudsigelse for denne proces ved hjælp af beregninger, hvor den elektrostatiske repulsion blev fjernet, og de svage vekselvirkningshastigheder blev forøget for at give adgang til de kritiske elementer i processen. Disse blev derefter genoprettet ved hjælp af systematiske tilnærmelser til den underliggende fysiske teori (effektive feltteoriteknikker) for at opnå forudsigelsen af reaktionshastigheden. Den første gitterkvantekromodynamiske beregning af styrken af den svage overgang mellem triton og helium-3 (som indeholder vigtige oplysninger om spininteraktioner i kernemediet) blev også udført i dette arbejde og viste sig at være i overensstemmelse med de eksperimentelle målinger. Disse beregninger anvendte gitterkvantekromodynamik, en teknik, hvor rumtiden repræsenteres af et endeligt gitter af punkter, og kvantefelterne, der beskriver kvarkerne og gluonerne, er defineret på henholdsvis disse punkter og forbindelserne mellem dem. Denne metode giver en evaluering af kvantekromodynamikkens vejintegral ved hjælp af Monte Carlo-sampling af kvarkernes og gluonernes (de subatomare partikler, der binder kvarkerne sammen) kvantemekaniske bevægelse. Denne metode er fuldstændig kontrolleret og kan systematisk forbedres og forfines ved at reducere den fysiske afstand mellem gitterpunkterne, ved at øge rumtidsvolumenet og ved at øge sampling af stiintegralet. I dette arbejde er der anvendt konfigurationer (“øjebliksbilleder” af det kvantemekaniske vakuum), der er genereret ved hjælp af Chroma-softwaresættet, som er udviklet inden for rammerne af DOE’s Scientific Discovery through Advanced Computing finansieret af U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration. Eksisterende algoritmer og kode til dannelse af nukleare korrelationsfunktioner i gitterkvantekromodynamikberegninger og nye algoritmer, herunder kvarkernes vekselvirkninger med eksterne sonder, der er udviklet inden for NPLQCD, blev anvendt til at beregne de nøglekvantiteter, der bestemmer hastigheden for proton-proton-fusion. Resultaterne af disse beregninger blev forbundet med naturen ved hjælp af effektive feltteoriteknikker. Den forståelse, der blev opnået i NPLQCD’s beregninger af den termiske neutronindfangningsproces n+p→d+γ, blev brugt til at skabe denne forbindelse. Med øgede beregningsressourcer kan disse beregninger systematisk forfines for at give en usikkerhed på hastigheden for proton-proton-fusion og lignende kernereaktioner, som er betydeligt mindre end det er muligt med andre teknikker. Dette gennembrud blev muliggjort af algoritmiske udviklinger og højtydende supercomputerressourcer.
Kontakt
Martin J. Savage
Institute for Nuclear Theory, University of Washington, Seattle, WA
[email protected]
Funding
Dette arbejde blev delvist støttet af U.S. Department of Energy, Office of Science; National Science Foundation; og Kavli Institute.
Publikationer
M.J. Savage, P.E. Shanahan, B.C. Tiburzi, M.L. Wagman, F. Winter, S.R. Beane, E. Chang, Z. Davoudi, W. Detmold, og K. Orginos, “Proton-proton fusion and tritium beta-decay from lattice quantum chromodynamics.” Physical Review Letters 119, 062002 (2017).
S.R. Beane, E. Chang, W. Detmold, K. Orginos, A. Parreño, M.J. Savage, and B.C. Tiburzi, “Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process.” Physical Review Letters 115, 132001 (2015).
Relaterede links
Kernefysik med Lattice Quantum Chromodynamics
U.S. Lattice Quantum Chromodynamics
Dette arbejde er offentliggjort i Physical Review Letters som Editor’s Choice og Featured in Physics. Se https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Highlight Categories
Program: ASCR, HEP, NP
Udfører: ASCR, HEP, NP
Udfører: Universitet, DOE-laboratorium, SC-brugerfaciliteter, ASCR-brugerfaciliteter, OLCF
Yderligere: Samarbejde, Samarbejde mellem agenturer uden for DOE