Proton-Proton Fusion: Powering the Sun
Großmaßstäbliche Simulationen von Quarks versprechen einen genauen Blick auf Reaktionen von astrophysikalischer Bedeutung.
Bild mit freundlicher Genehmigung von William Detmold
Die Wissenschaft
Die Verschmelzung zweier Protonen leitet den primären Kernzyklus ein, der die Sonne antreibt. Die Geschwindigkeit dieser Fusion mit niedriger Energie und schwacher Wechselwirkung ist zu gering, um im Labor gemessen zu werden. Die Vorhersagen von Kernmodellen für diese Reaktion sind zwar beeindruckend, aber Berechnungen ohne Modelle würden die Unsicherheiten verringern und einen genaueren Blick auf die Proton-Proton-Fusion und verwandte Prozesse ermöglichen. Mit Hilfe einer Technik namens Gitterquantenchromodynamik haben Wissenschaftler die erste erfolgreiche modellunabhängige Berechnung der Proton-Proton-Fusionsrate direkt aus der grundlegenden Dynamik von Quarks und Gluonen (den Bausteinen von Protonen und Kernen) durchgeführt.
Die Auswirkung
Diese Arbeit ebnet den Weg, um die Rate der Proton-Proton-Fusion und ähnliche Kernreaktionen von astrophysikalischer Bedeutung mit neuer Präzision zu berechnen.
Zusammenfassung
Die Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD) unter dem Dach der U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration hat die erste modellunabhängige Berechnung der Rate für die Proton-Proton-Fusion direkt aus der Dynamik von Quarks und Gluonen mit numerischen Techniken durchgeführt. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses ist aus zwei Gründen zu gering, um heute im Labor gemessen zu werden: die elektrostatische Abstoßung zwischen den niederenergetischen Protonen und die geringen Raten der schwachen Wechselwirkung. Das Team erreichte die theoretische Vorhersage für diesen Prozess durch Berechnungen, bei denen die elektrostatische Abstoßung aufgehoben und die Raten der schwachen Wechselwirkung erhöht wurden, um Zugang zu den kritischen Elementen des Prozesses zu erhalten. Diese wurden dann durch systematische Annäherungen an die zugrundeliegende physikalische Theorie (Techniken der effektiven Feldtheorie) wiederhergestellt, um die Vorhersage für die Reaktionsgeschwindigkeit zu treffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch die erste gitterquantenchromodynamische Berechnung der Stärke des schwachen Übergangs zwischen dem Triton und Helium-3 (die wichtige Informationen über Spin-Wechselwirkungen im Kernmedium enthält) durchgeführt, die mit experimentellen Messungen übereinstimmt. Bei diesen Berechnungen wurde die Gitterquantenchromodynamik verwendet, eine Technik, bei der die Raumzeit durch ein endliches Gitter von Punkten dargestellt wird und die Quantenfelder, die die Quarks und Gluonen beschreiben, auf diesen Punkten bzw. den Verbindungen zwischen ihnen definiert werden. Diese Methode ermöglicht eine Bewertung des Pfadintegrals der Quantenchromodynamik durch Monte-Carlo-Sampling der quantenmechanischen Bewegung der Quarks und Gluonen (die subatomaren Teilchen, die die Quarks miteinander verbinden). Diese Methode ist vollständig kontrollierbar und kann systematisch verbessert und verfeinert werden, indem der physikalische Abstand zwischen den Gitterpunkten verringert, das Volumen der Raumzeit vergrößert und die Abtastung des Pfadintegrals erhöht wird. Bei dieser Arbeit wurden Konfigurationen („Schnappschüsse“ des quantenmechanischen Vakuums) verwendet, die mit der Chroma-Software-Suite erstellt wurden, die im Rahmen der vom DOE finanzierten U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration (Wissenschaftliche Entdeckung durch fortgeschrittenes Rechnen) entwickelt wurde. Bestehende Algorithmen und Codes für die Bildung von Kernkorrelationsfunktionen in Gitter-Quantenchromodynamik-Berechnungen und neue Algorithmen, die die Wechselwirkungen von Quarks mit externen Sonden einschließen und im Rahmen von NPLQCD entwickelt wurden, wurden verwendet, um die Schlüsselgrößen zu berechnen, die die Rate der Proton-Proton-Fusion bestimmen. Die Ergebnisse dieser Berechnungen wurden mithilfe von Techniken der effektiven Feldtheorie mit der Natur in Verbindung gebracht. Das Verständnis, das bei den NPLQCD-Berechnungen des thermischen Neutroneneinfangprozesses n+p→d+γ gewonnen wurde, diente dazu, diese Verbindung herzustellen. Mit größeren Rechenressourcen können diese Berechnungen systematisch verfeinert werden, um eine Unsicherheit in der Rate für die Proton-Proton-Fusion und ähnliche Kernreaktionen zu ermitteln, die deutlich geringer ist als bei anderen Techniken. Dieser Durchbruch wurde durch die Entwicklung von Algorithmen und Hochleistungs-Supercomputing-Ressourcen ermöglicht.
Kontakt
Martin J. Savage
Institute for Nuclear Theory, University of Washington, Seattle, WA
[email protected]
Finanzierung
Diese Arbeit wurde teilweise vom U.S. Department of Energy, Office of Science; National Science Foundation; und dem Kavli Institute unterstützt.
Veröffentlichungen
M.J. Savage, P.E. Shanahan, B.C. Tiburzi, M.L. Wagman, F. Winter, S.R. Beane, E. Chang, Z. Davoudi, W. Detmold, and 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).
Verwandte Links
Kernphysik mit Gitterquantenchromodynamik
U.S. Lattice Quantum Chromodynamics
Diese Arbeit ist in Physical Review Letters als Editor’s Choice und Featured in Physics veröffentlicht. Siehe https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Highlight Kategorien
Programm: ASCR, HEP, NP
Akteure: Universität, DOE-Labor, SC-Benutzereinrichtungen, ASCR-Benutzereinrichtungen, OLCF
Zusätzlich: Kollaborationen, Nicht-DOE Interagency Kollaboration