Proton-Proton-Proton Fusion: Powering the Sun

Proton-Proton-Proton Fusion: Powering the Sun

Simulações em grande escala de quarks prometem uma visão precisa das reacções de importância astrofísica.

A Ciência

A fusão de dois prótons inicia o ciclo nuclear primário que alimenta o Sol. A taxa desta fusão de baixa energia e de fraca interacção é demasiado pequena para ser medida em laboratório. Enquanto as previsões do modelo nuclear para esta reação são impressionantes, cálculos sem modelos reduziriam as incertezas e ofereceriam uma visão mais precisa da fusão próton-protões e processos relacionados. Usando uma técnica chamada cromodinâmica quântica de malha, os cientistas realizaram o primeiro cálculo bem sucedido, independente do modelo, da taxa de fusão próton-protões diretamente da dinâmica fundamental dos quarks e gluões (os blocos de construção dos prótons e núcleos).

O impacto

Este trabalho abre caminho para o cálculo da taxa de fusão próton-protões, e reações nucleares similares de importância astrofísica, com novos níveis de precisão.

Sumário

A Física Nuclear com Colaboração de Cromodinâmica Quântica de Malhas (NPLQCD), sob o guarda-chuva da Colaboração Americana de Cromodinâmica Quântica, realizou o primeiro cálculo independente do modelo da taxa de fusão protão-protões diretamente da dinâmica dos quarks e gluões utilizando técnicas numéricas. A taxa deste processo é muito pequena para ser medida no laboratório hoje em dia por duas razões: a repulsão eletrostática entre os prótons de baixa energia e as pequenas e fracas taxas de interação. A equipe conseguiu a previsão teórica para este processo através de cálculos nos quais a repulsão eletrostática foi removida e as taxas fracas de interação foram aumentadas para dar acesso aos elementos críticos do processo. Estes foram então restaurados utilizando aproximações sistemáticas à teoria física subjacente (técnicas eficazes de teoria de campo) na realização da previsão para a taxa de reação. O primeiro cálculo da cromodinâmica quântica da malha da força da transição fraca entre o triton e o hélio-3 (que carregam informações significativas das interações de spin em meio nuclear) também foi realizado neste trabalho e considerado consistente com as medidas experimentais. Estes cálculos utilizaram a cromodinâmica quântica da malha, técnica em que o espaço-tempo é representado por uma grade finita de pontos, e os campos quânticos que descrevem os quarks e glúons são definidos nestes pontos e as ligações entre eles, respectivamente. Este método fornece uma avaliação do percurso integral da cromodinâmica quântica, através da amostragem de Monte Carlo do movimento mecânico quântico dos quarks e dos gluões (as partículas subatómicas que ligam os quarks entre si). Este método é completamente controlado e pode ser sistematicamente melhorado e refinado pela redução da distância física entre os pontos da grelha, pelo aumento do volume de espaço-tempo e pelo aumento da amostragem da integral do caminho. Este trabalho utilizou configurações (“snapshots” do vácuo quântico-mecânico) geradas utilizando o conjunto de software Chroma desenvolvido dentro do DOE’s Scientific Discovery through Advanced Computing financiado pelo U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration. Algoritmos e código existentes para a formação de funções de correlação nuclear em cálculos de cromodinâmica quântica de redes e novos algoritmos incluindo as interações dos quarks com sondas externas, desenvolvidos dentro do NPLQCD, foram utilizados para calcular as quantidades chave que determinam a taxa de fusão protão-protão. Os resultados destes cálculos foram ligados à natureza utilizando técnicas eficazes de teoria de campo. A compreensão obtida nos cálculos da NPLQCD do processo de captura de neutrões térmicos n+p→d+γ foi utilizada para fazer esta conexão. Com o aumento dos recursos computacionais, esses cálculos podem ser sistematicamente refinados para fornecer uma incerteza na taxa de fusão proton-proton e reações nucleares similares, que é significativamente menor do que é possível com outras técnicas. Este avanço foi possível graças a desenvolvimentos algorítmicos e recursos de supercomputação de alto desempenho.

Contacto

Martin J. Savage
Instituto de Teoria Nuclear, Universidade de Washington, Seattle, WA
[email protected]

Funding

Este trabalho foi apoiado em parte pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência; National Science Foundation; e pelo Instituto Kavli.

Publicações

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, “Proton-proton fusion and tritium beta-decay from lattice quantum chromodynamics”. Cartas de Revisão Física 119, 062002 (2017).

S.R. Beane, E. Chang, W. Detmold, K. Orginos, A. Parreño, M.J. Savage, e B.C. Tiburzi, “Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process”. Cartas de Revisão Física 115, 132001 (2015).

Ligações Relacionadas

Física Nuclear com Cromodinâmica Quântica de Malhas

Cromodinâmica Quântica de Malhas dos EUA

Este trabalho está publicado em Physical Review Letters as an Editor’s Choice and Featured in Physics. Veja https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields

Categorias de Alta Luz

Programa: ASCR, HEP, NP

Executante: Universidade, Laboratório DOE, SC User Facilities, ASCR User Facilities, OLCF

Adicional: Colaborações, Colaboração de Interagências Não-DOE

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