Fusion proton-proton : Powering the Sun
Les simulations à grande échelle de quarks promettent une vision précise des réactions d’importance astrophysique.
Image reproduite avec l’aimable autorisation de William Detmold
La science
La fusion de deux protons initie le cycle nucléaire primaire qui alimente le Soleil. Le taux de cette fusion à faible énergie et à interaction faible est trop faible pour être mesuré en laboratoire. Bien que les prédictions des modèles nucléaires pour cette réaction soient impressionnantes, des calculs sans modèles permettraient de réduire les incertitudes et d’offrir une vision plus précise de la fusion proton-proton et des processus connexes. À l’aide d’une technique appelée chromodynamique quantique en treillis, les scientifiques ont effectué le premier calcul réussi, indépendant de tout modèle, du taux de fusion proton-proton directement à partir de la dynamique fondamentale des quarks et des gluons (les éléments constitutifs des protons et des noyaux).
L’impact
Ces travaux ouvrent la voie au calcul du taux de fusion proton-proton, et de réactions nucléaires similaires d’importance astrophysique, avec de nouveaux niveaux de précision.
Résumé
La Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), sous l’égide de l’U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, a effectué le premier calcul indépendant du modèle du taux de fusion proton-proton directement à partir de la dynamique des quarks et des gluons en utilisant des techniques numériques. Le taux de ce processus est trop faible pour être mesuré en laboratoire aujourd’hui pour deux raisons : la répulsion électrostatique entre les protons de faible énergie et les faibles taux d’interaction faible. L’équipe a obtenu la prédiction théorique de ce processus par le biais de calculs dans lesquels la répulsion électrostatique a été supprimée et les taux d’interaction faible ont été augmentés pour permettre l’accès aux éléments critiques du processus. Ceux-ci ont ensuite été rétablis en utilisant des approximations systématiques de la théorie physique sous-jacente (techniques de la théorie des champs effectifs) pour faire la prédiction du taux de réaction. Le premier calcul de chromodynamique quantique en treillis de la force de la transition faible entre le triton et l’hélium 3 (qui contient des informations importantes sur les interactions de spin dans le milieu nucléaire) a également été effectué dans ce travail et s’est avéré cohérent avec les mesures expérimentales. Ces calculs ont utilisé la chromodynamique quantique en treillis, une technique dans laquelle l’espace-temps est représenté par une grille finie de points, et les champs quantiques décrivant les quarks et les gluons sont définis sur ces points et les liens entre eux, respectivement. Cette méthode permet d’évaluer l’intégrale du chemin de la chromodynamique quantique, grâce à un échantillonnage de Monte Carlo du mouvement mécanique quantique des quarks et des gluons (les particules subatomiques qui relient les quarks entre eux). Cette méthode est entièrement contrôlée et peut être systématiquement améliorée et affinée en réduisant la distance physique entre les points de grille, en augmentant le volume de l’espace-temps et en augmentant l’échantillonnage de l’intégrale du chemin. Ce travail a utilisé des configurations (des « instantanés » du vide mécanique quantique) générées à l’aide de la suite logicielle Chroma développée dans le cadre de la collaboration américaine sur la chromodynamique quantique financée par le DOE, Scientific Discovery through Advanced Computing. Les algorithmes et le code existants pour former les fonctions de corrélation nucléaire dans les calculs de chromodynamique quantique sur réseau et les nouveaux algorithmes incluant les interactions des quarks avec des sondes externes, développés au sein de NPLQCD, ont été utilisés pour calculer les quantités clés qui déterminent le taux de fusion proton-proton. Les résultats de ces calculs ont été reliés à la nature à l’aide de techniques de théorie des champs effectifs. La compréhension acquise dans les calculs de NPLQCD du processus de capture thermique des neutrons n+p→d+γ a été utilisée pour établir ce lien. Avec des ressources de calcul accrues, ces calculs peuvent être systématiquement affinés pour fournir une incertitude sur le taux de fusion proton-proton, et des réactions nucléaires similaires, qui est considérablement plus faible que ce qui est possible avec d’autres techniques. Cette percée a été rendue possible par des développements algorithmiques et des ressources de supercalculateurs à haute performance.
Contact
Martin J. Savage
Institut de théorie nucléaire, Université de Washington, Seattle, WA
[email protected]
Funding
Ces travaux ont été soutenus en partie par le ministère américain de l’Énergie, Office of Science ; la National Science Foundation ; et l’Institut Kavli.
Publications
M.J. Savage, P.E. Shanahan, B.C. Tiburzi, M.L. Wagman, F. Winter, S.R. Beane, E. Chang, Z. Davoudi, W. Detmold, et 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 et B.C. Tiburzi, « Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process. » Physical Review Letters 115, 132001 (2015).
Liens connexes
Physique nucléaire avec la chromodynamique quantique en treillis
Chromodynamique quantique en treillis des États-Unis
Ce travail est publié dans Physical Review Letters comme Editor’s Choice et Featured in Physics. Voir https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Highlight Categories
Programme : ASCR, HEP, NP
Intervenant : Université, laboratoire DOE, installations utilisateurs SC, installations utilisateurs ASCR, OLCF
Autres : Collaborations, collaboration interagences non DOE
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