Proton-Proton Fusion: Powering the Sun
A kvarkok nagyméretű szimulációi pontos képet ígérnek az asztrofizikai jelentőségű reakciókról.
A kép William Detmold jóvoltából
A tudomány
A két proton fúziója indítja el a Napot működtető elsődleges magciklust. Ennek az alacsony energiájú, gyenge kölcsönhatású fúziónak a sebessége túl kicsi ahhoz, hogy laboratóriumban mérni lehessen. Bár a nukleáris modellek előrejelzései erre a reakcióra lenyűgözőek, a modellek nélküli számítások csökkentenék a bizonytalanságokat, és pontosabb képet adnának a proton-proton fúzióról és a kapcsolódó folyamatokról. A tudósok a rácsos kvantumkromodinamika nevű technikával elvégezték a proton-proton fúziós sebesség első sikeres, modellfüggetlen számítását közvetlenül a kvarkok és gluonok (a protonok és atommagok építőkövei) alapvető dinamikájából.
A hatás
Ez a munka megnyitotta az utat a proton-proton fúzió sebességének és hasonló, asztrofizikai jelentőségű nukleáris reakciók új szintű pontossággal történő kiszámításához.
Összefoglaló
A Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), az amerikai Quantum Chromodynamics Collaboration égisze alatt, numerikus módszerekkel elvégezte a proton-proton fúzió sebességének első modellfüggetlen számítását közvetlenül a kvarkok és gluonok dinamikájából. Ennek a folyamatnak a sebessége ma túl kicsi ahhoz, hogy laboratóriumban mérhető legyen, két okból: az alacsony energiájú protonok közötti elektrosztatikus taszítás és a kis gyenge kölcsönhatási sebesség miatt. A kutatócsoport a folyamatra vonatkozó elméleti előrejelzést olyan számításokkal érte el, amelyekben az elektrosztatikus taszítást megszüntették, a gyenge kölcsönhatás sebességét pedig megnövelték, hogy hozzáférjenek a folyamat kritikus elemeihez. Ezeket aztán az alapul szolgáló fizikai elmélet szisztematikus közelítéseivel (effektív mezőelméleti technikák) állították helyre a reakciósebesség előrejelzésének elkészítése során. A triton és a hélium-3 közötti gyenge átmenet erősségének első rácsos kvantumkromodinamikai számítását (amely jelentős információt hordoz a spin kölcsönhatásokról a nukleáris közegben) szintén ebben a munkában végezték el, és a kísérleti mérésekkel összhangban lévőnek találták. Ezek a számítások a rácsos kvantumkromodinamikát használták, egy olyan technikát, amelyben a téridőt pontokból álló véges ráccsal reprezentálják, és a kvarkokat és gluonokat leíró kvantummezőket ezeken a pontokon, illetve a köztük lévő kapcsolatokon határozzák meg. Ez a módszer a kvantumkromodinamikai útintegrál kiértékelését biztosítja a kvarkok és gluonok (a kvarkokat összekötő szubatomi részecskék) kvantummechanikai mozgásának Monte Carlo-mintavételezésével. Ez a módszer teljesen kontrollált, és szisztematikusan javítható és finomítható a rácspontok közötti fizikai távolság csökkentésével, a téridő térfogatának növelésével és az útintegrál mintavételezésének növelésével. Ebben a munkában olyan konfigurációkat (“pillanatképeket” a kvantummechanikai vákuumról) használtak, amelyeket a DOE által a Scientific Discovery through Advanced Computing által finanszírozott U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration keretében kifejlesztett Chroma szoftvercsomaggal hoztak létre. A rácsos kvantumkromodinamikai számításokban a nukleáris korrelációs függvények kialakítására szolgáló meglévő algoritmusokat és kódot, valamint az NPLQCD keretében kifejlesztett, a kvarkok külső szondákkal való kölcsönhatásait is tartalmazó új algoritmusokat használták a proton-proton fúzió sebességét meghatározó kulcsmennyiségek kiszámításához. E számítások eredményeit effektív mezőelméleti technikák segítségével összekapcsolták a természettel. Az NPLQCD-ben az n+p→d+γ termikus neutronbefogási folyamat számításai során szerzett megértést használták fel ennek a kapcsolatnak a megteremtéséhez. A számítási erőforrások növelésével ezek a számítások szisztematikusan finomíthatók, hogy a proton-proton fúzió és a hasonló nukleáris reakciók sebességének bizonytalanságát lényegesen kisebbre becsüljék, mint ami más technikákkal lehetséges. Ezt az áttörést algoritmikus fejlesztések és nagy teljesítményű szuperszámítógépes erőforrások tették lehetővé.
Kapcsolat
Martin J. Savage
Institute for Nuclear Theory, University of Washington, Seattle, WA
[email protected]
Finanszírozás
Ezt a munkát részben az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala, a National Science Foundation és a Kavli Intézet támogatta.
Publikációk
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 és B.C. Tiburzi, “Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process”. Physical Review Letters 115, 132001 (2015).
Kapcsolódó linkek
Nucle Physics with Lattice Quantum Chromodynamics
U.S. Lattice Quantum Chromodynamics
This work is published in Physical Review Letters as a Editor’s Choice and Featured in Physics. Lásd https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Highlight Categories
Program: Kategóriák: ASCR, HEP, NP
Előadó: dr: Együttműködések, Nem DOE ügynökségek közötti együttműködés