Proton-Proton Fusion: Powering the Sun

Proton-Proton Fusion: Powering the Sun

Large-scale simulations of quarks promise precise view of reactions of astrophysical importance.

Tiede

Kahden protonin fuusio käynnistää primaarisen ydinkierron, joka antaa voimaa Auringolle. Tämän matalaenergisen, heikon vuorovaikutuksen fuusion nopeus on liian pieni mitattavaksi laboratoriossa. Vaikka ydinmallien ennusteet tälle reaktiolle ovat vaikuttavia, laskelmat ilman malleja vähentäisivät epävarmuuksia ja tarjoaisivat tarkemman kuvan protoni-protonifuusiosta ja siihen liittyvistä prosesseista. Tutkijat käyttivät lattice-kvanttikromodynamiikaksi kutsuttua tekniikkaa ja tekivät ensimmäisen onnistuneen mallista riippumattoman laskelman protoni-protonifuusionopeudesta suoraan kvarkkien ja gluonien (protonien ja ytimien rakennusaineet) perustavanlaatuisesta dynamiikasta.

Vaikutus

Tämä työ tasoittaa tietä protoni-protonifuusion ja vastaavien astrofysikaalisesti tärkeiden ydinreaktioiden nopeuden laskemiselle uudella tarkkuudella.

Yhteenveto

Yhdysvaltalaisen Quantum Chromodynamics Collaborationin (U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration) alaisuudessa toimiva Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD) -ryhmä suoritti ensimmäisen malliriippumattoman laskennan protoni-protoni-fuusion nopeudelle suoraan kvarkkien ja gluonien dynamiikan perusteella numeerisia tekniikoita käyttäen. Tämän prosessin nopeus on nykyään liian pieni mitattavaksi laboratoriossa kahdesta syystä: matalaenergisten protonien välinen sähköstaattinen repulsio ja heikon vuorovaikutuksen pieni nopeus. Ryhmä sai teoreettisen ennusteen tälle prosessille laskelmilla, joissa sähköstaattinen repulsio poistettiin ja heikon vuorovaikutuksen nopeutta lisättiin, jotta päästiin käsiksi prosessin kriittisiin elementteihin. Nämä palautettiin sitten käyttämällä järjestelmällisiä approksimaatioita taustalla olevaan fysikaaliseen teoriaan (efektiivisen kenttäteorian tekniikat) reaktionopeuden ennustamisessa. Tässä työssä tehtiin myös ensimmäinen ristikkokvanttikromodynamiikan laskelma tritonin ja helium-3:n välisen heikon siirtymän voimakkuudesta (joka sisältää merkittävää tietoa spin-vuorovaikutuksista ydinväliaineessa), ja sen todettiin olevan yhdenmukainen kokeellisten mittausten kanssa. Näissä laskelmissa käytettiin lattice-kvanttikromodynamiikkaa, tekniikkaa, jossa aika-avaruus esitetään äärellisenä pisteverkkona ja kvarkkeja ja gluoneita kuvaavat kvanttikentät määritellään näissä pisteissä ja niiden välisissä yhteyksissä. Menetelmällä voidaan arvioida kvanttikromodynamiikan polkuintegraalia ottamalla Monte Carlo -näytteitä kvarkkien ja gluonien (subatomiset hiukkaset, jotka sitovat kvarkit yhteen) kvanttimekaanisesta liikkeestä. Menetelmä on täysin kontrolloitavissa, ja sitä voidaan systemaattisesti parantaa ja hienosäätää pienentämällä rasteripisteiden välistä fyysistä etäisyyttä, kasvattamalla aika-avaruuden tilavuutta ja lisäämällä polkuintegraalin näytteenottoa. Tässä työssä käytettiin konfiguraatioita (”tilannekuvia” kvanttimekaanisesta tyhjiöstä), jotka on luotu käyttäen Chroma-ohjelmistopakettia, joka on kehitetty DOE:n rahoittaman U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration -hankkeen (U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration) Scientific Discovery through Advanced Computing -ohjelmassa. Nykyisiä algoritmeja ja koodia ydinkorrelaatiofunktioiden muodostamiseksi ristikkokvanttikromodynamiikan laskelmissa sekä uusia algoritmeja, jotka sisältävät kvarkkien vuorovaikutukset ulkoisten koettimien kanssa ja jotka on kehitetty NPLQCD:ssä, käytettiin niiden keskeisten suureiden laskemiseen, jotka määrittävät protoni-protonifuusion nopeuden. Näiden laskelmien tulokset yhdistettiin luontoon efektiivisen kenttäteorian tekniikoiden avulla. Tämän yhteyden luomisessa käytettiin NPLQCD:n laskelmissa saavutettua ymmärrystä termisestä neutronin sieppausprosessista n+p→d+γ. Lisääntyneiden laskentaresurssien avulla näitä laskelmia voidaan systemaattisesti tarkentaa niin, että protoni-protonifuusion ja vastaavien ydinreaktioiden nopeuden epävarmuus on huomattavasti pienempi kuin muilla tekniikoilla on mahdollista. Tämä läpimurto tehtiin mahdolliseksi algoritmikehityksen ja suuritehoisten supertietokoneresurssien ansiosta.

Yhteystiedot

Martin J. Savage
Institute for Nuclear Theory, University of Washington, Seattle, WA
[email protected]

Rahoitus

Tätä työtä ovat osittain tukeneet Yhdysvaltain energiaministeriön tiedevirasto (U.S. Department of Energy, Office of Science), Kansallinen tiedesäätiö (National Science Foundation) ja Kavli Institute.

Publications

M.J. Savage, P.E. Shanahan, B.C. Tiburzi, M.L. Wagman, M.L. Wagman, F. Winter, S.R. Beane, E. Chang, Z. Davoudi, W. Detmold ja 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 ja B.C. Tiburzi, ”Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process.” Physical Review Letters 115, 132001 (2015).

Seuraavat linkit

Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics

U.S. Lattice Quantum Chromodynamics

Tämä työ on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä Editor’s Choice ja Featured in Physics. Katso https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields

Highlight Categories

ohjelma: Ohjelmat: ASCR, HEP, NP

esittäjä(t): M: Suorittaja: Yliopisto, DOE-laboratorio, SC-käyttäjälaitokset, ASCR-käyttäjälaitokset, OLCF

Lisäm: Yhteistyöt, muiden kuin DOE:n virastojen välinen yhteistyö