Fusión protón-protón: Powering the Sun
Las simulaciones a gran escala de quarks prometen una visión precisa de las reacciones de importancia astrofísica.
Imagen por cortesía de William Detmold
La Ciencia
La fusión de dos protones inicia el ciclo nuclear primario que alimenta al Sol. La tasa de esta fusión de baja energía e interacción débil es demasiado pequeña para ser medida en el laboratorio. Aunque las predicciones de los modelos nucleares para esta reacción son impresionantes, los cálculos sin modelos reducirían las incertidumbres y ofrecerían una visión más precisa de la fusión protón-protón y los procesos relacionados. Utilizando una técnica llamada cromodinámica cuántica de celosía, los científicos realizaron el primer cálculo exitoso e independiente del modelo de la tasa de fusión protón-protón directamente a partir de la dinámica fundamental de los quarks y los gluones (los componentes básicos de los protones y los núcleos).
El impacto
Este trabajo allana el camino para calcular la tasa de fusión protón-protón, y otras reacciones nucleares similares de importancia astrofísica, con nuevos niveles de precisión.
Resumen
La Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), bajo el paraguas de la U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, realizó el primer cálculo independiente del modelo de la tasa de fusión protón-protón directamente a partir de la dinámica de quarks y gluones utilizando técnicas numéricas. La tasa de este proceso es demasiado pequeña para ser medida en el laboratorio hoy en día por dos razones: la repulsión electrostática entre los protones de baja energía y las pequeñas tasas de interacción débil. El equipo logró la predicción teórica de este proceso mediante cálculos en los que se eliminó la repulsión electrostática y se aumentaron las tasas de interacción débil para acceder a los elementos críticos del proceso. A continuación, se restauraron utilizando aproximaciones sistemáticas a la teoría física subyacente (técnicas de teoría de campo efectivo) para realizar la predicción de la velocidad de reacción. En este trabajo también se realizó el primer cálculo de cromodinámica cuántica de celosía de la fuerza de la transición débil entre el tritón y el helio-3 (que lleva información significativa de las interacciones de espín en el medio nuclear) y se encontró que era consistente con las mediciones experimentales. En estos cálculos se utilizó la cromodinámica cuántica de celosía, una técnica en la que el espacio-tiempo se representa mediante una rejilla finita de puntos, y los campos cuánticos que describen los quarks y los gluones se definen en estos puntos y los enlaces entre ellos, respectivamente. Este método proporciona una evaluación de la integral de trayectoria de la cromodinámica cuántica, a través del muestreo de Monte Carlo del movimiento mecánico cuántico de los quarks y los gluones (las partículas subatómicas que unen a los quarks). Este método está completamente controlado y puede mejorarse y refinarse sistemáticamente reduciendo la distancia física entre los puntos de la cuadrícula, aumentando el volumen del espacio-tiempo y aumentando el muestreo de la integral de trayectoria. En este trabajo se utilizaron configuraciones («instantáneas» del vacío cuántico-mecánico) generadas con el paquete de software Chroma, desarrollado en el marco de la Colaboración de Cromodinámica Cuántica de Estados Unidos, financiada por el DOE, para el Descubrimiento Científico a través de la Computación Avanzada. Los algoritmos y el código existentes para la formación de funciones de correlación nuclear en los cálculos de cromodinámica cuántica de celosía y los nuevos algoritmos que incluyen las interacciones de los quarks con sondas externas, desarrollados dentro de NPLQCD, se utilizaron para calcular las cantidades clave que determinan la tasa de fusión protón-protón. Los resultados de estos cálculos se conectaron con la naturaleza mediante técnicas de teoría de campos efectivos. Para realizar esta conexión se utilizaron los conocimientos adquiridos en los cálculos de NPLQCD sobre el proceso de captura térmica de neutrones n+p→d+γ. Con mayores recursos computacionales, estos cálculos pueden refinarse sistemáticamente para proporcionar una incertidumbre en la tasa de fusión protón-protón, y reacciones nucleares similares, que es significativamente menor de lo que es posible con otras técnicas. Este avance ha sido posible gracias a los desarrollos algorítmicos y a los recursos de supercomputación de alto rendimiento.
Contacto
Martin J. Savage
Instituto de Teoría Nuclear, Universidad de Washington, Seattle, WA
[email protected]
Financiación
Este trabajo fue apoyado en parte por el Departamento de Energía de Estados Unidos, Oficina de Ciencia; Fundación Nacional de Ciencia; y el Instituto Kavli.
Publicaciones
M.J. Savage, P.E. Shanahan, B.C. Tiburzi, M.L. Wagman, F. Winter, S.R. Beane, E. Chang, Z. Davoudi, W. Detmold, y 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, y B.C. Tiburzi, «Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process». Physical Review Letters 115, 132001 (2015).
Enlaces relacionados
Física nuclear con cromodinámica cuántica de celosía
Cromodinámica cuántica de celosía
Este trabajo está publicado en Physical Review Letters como Editor’s Choice y Featured in Physics. Ver https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Categorías destacadas
Programa: ASCR, HEP, NP
Ejecutor: Universidad, Laboratorio del DOE, Instalaciones de usuarios de SC, Instalaciones de usuarios de ASCR, OLCF
Adicional: Colaboraciones, Colaboración interinstitucional fuera del DOE