Fusione protone-protone: Powering the Sun
Simulazioni su larga scala dei quark promettono una visione precisa delle reazioni di importanza astrofisica.
Immagine per gentile concessione di William Detmold
La scienza
La fusione di due protoni dà inizio al ciclo nucleare primario che alimenta il Sole. Il tasso di questa fusione a bassa energia e di interazione debole è troppo piccolo per essere misurato in laboratorio. Mentre le previsioni dei modelli nucleari per questa reazione sono impressionanti, i calcoli senza modelli ridurrebbero le incertezze e offrirebbero una visione più accurata della fusione protone-protone e dei processi correlati. Usando una tecnica chiamata cromodinamica quantistica a reticolo, gli scienziati hanno eseguito con successo il primo calcolo indipendente dal modello del tasso di fusione protone-protone direttamente dalla dinamica fondamentale dei quark e dei gluoni (gli elementi costitutivi di protoni e nuclei).
L’impatto
Questo lavoro apre la strada per calcolare il tasso di fusione protone-protone, e simili reazioni nucleari di importanza astrofisica, con nuovi livelli di precisione.
Sommario
La Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), sotto l’ombrello della U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, ha eseguito il primo calcolo indipendente dal modello del tasso di fusione protone-protone direttamente dalla dinamica di quark e gluoni usando tecniche numeriche. Il tasso di questo processo è troppo piccolo per essere misurato in laboratorio oggi per due motivi: la repulsione elettrostatica tra i protoni a bassa energia e i piccoli tassi di interazione debole. Il team ha raggiunto la previsione teorica per questo processo attraverso calcoli in cui la repulsione elettrostatica è stata rimossa e i tassi di interazione debole sono stati aumentati per fornire l’accesso agli elementi critici del processo. Questi sono stati poi ripristinati utilizzando approssimazioni sistematiche alla teoria fisica sottostante (tecniche di teoria del campo efficace) nel fare la previsione del tasso di reazione. Il primo calcolo di cromodinamica quantistica del reticolo della forza della transizione debole tra il tritone e l’elio-3 (che portano informazioni significative sulle interazioni di spin nel mezzo nucleare) è stato anche eseguito in questo lavoro e trovato coerente con le misure sperimentali. Questi calcoli hanno utilizzato la cromodinamica quantistica a reticolo, una tecnica in cui lo spazio-tempo è rappresentato da una griglia finita di punti, e i campi quantici che descrivono i quark e i gluoni sono definiti su questi punti e i collegamenti tra di loro, rispettivamente. Questo metodo fornisce una valutazione dell’integrale del percorso della cromodinamica quantistica, attraverso il campionamento Monte Carlo del movimento meccanico quantistico dei quark e dei gluoni (le particelle subatomiche che legano i quark insieme). Questo metodo è completamente controllato e può essere sistematicamente migliorato e raffinato riducendo la distanza fisica tra i punti della griglia, aumentando il volume dello spazio-tempo e aumentando il campionamento dell’integrale del percorso. Questo lavoro ha utilizzato configurazioni (“istantanee” del vuoto quantistico-meccanico) generate utilizzando la suite di software Chroma sviluppata all’interno della Scientific Discovery through Advanced Computing finanziata dal DOE’s U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration. Gli algoritmi esistenti e il codice per la formazione delle funzioni di correlazione nucleare nei calcoli di cromodinamica quantistica su reticolo e i nuovi algoritmi che includono le interazioni dei quark con sonde esterne, sviluppati all’interno di NPLQCD, sono stati utilizzati per calcolare le quantità chiave che determinano il tasso di fusione protone-protone. I risultati di questi calcoli sono stati collegati alla natura usando tecniche di teoria dei campi efficaci. La comprensione acquisita nei calcoli dell’NPLQCD del processo di cattura termica dei neutroni n+p→d+γ è stata usata per fare questa connessione. Con l’aumento delle risorse computazionali, questi calcoli possono essere sistematicamente raffinati per fornire un’incertezza nel tasso di fusione protone-protone, e reazioni nucleari simili, che è significativamente più piccola di quanto sia possibile con altre tecniche. Questo passo avanti è stato reso possibile dagli sviluppi algoritmici e dalle risorse di supercalcolo ad alte prestazioni.
Contatto
Martin J. Savage
Istituto di Teoria Nucleare, Università di Washington, Seattle, WA
[email protected]
Finanziamento
Questo lavoro è stato sostenuto in parte dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Ufficio delle Scienze; dalla National Science Foundation; e dal Kavli Institute.
Pubblicazioni
M.J. Savage, P.E. Shanahan, B.C. Tiburzi, M.L. Wagman, F. Winter, S.R. Beane, E. Chang, Z. Davoudi, W. Detmold, e K. Orginos, “Fusione protone-protone e decadimento beta del trizio dalla cromodinamica quantistica del reticolo”. 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).
Link correlati
Fisica Nucleare con Cromodinamica Quantistica su Lattice
Cromodinamica Quantistica su Lattice
Questo lavoro è pubblicato su Physical Review Letters come Editor’s Choice e Featured in Physics. Vedi https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Highlight Categories
Programma: ASCR, HEP, NP
Performer: Università, DOE Laboratory, SC User Facilities, ASCR User Facilities, OLCF
Additional: Collaborazioni, Collaborazione interagenzie non-DOE
Ulteriore: Collaborazione