Fuzja protonowo-protonowa: Powering the Sun
Symulacje kwarków w dużej skali obiecują precyzyjne spojrzenie na reakcje o znaczeniu astrofizycznym.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Williama Detmolda
Nauka
Fuzja dwóch protonów inicjuje pierwotny cykl jądrowy, który zasila Słońce. Tempo tej niskoenergetycznej, słabo oddziałującej fuzji jest zbyt małe, by można je było zmierzyć w laboratorium. Chociaż przewidywania modeli jądrowych dla tej reakcji są imponujące, obliczenia bez użycia modeli zmniejszyłyby niepewność i dałyby dokładniejszy obraz syntezy proton-proton i powiązanych procesów. Używając techniki zwanej kratową chromodynamiką kwantową, naukowcy przeprowadzili pierwsze udane, niezależne od modelu obliczenia szybkości syntezy proton-proton bezpośrednio z fundamentalnej dynamiki kwarków i gluonów (elementów składowych protonów i jąder).
Wpływ
Ta praca otwiera drogę do obliczenia tempa syntezy proton-proton i podobnych reakcji jądrowych o znaczeniu astrofizycznym, z nowym poziomem precyzji.
Podsumowanie
Kolaboracja Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), pod patronatem amerykańskiej Quantum Chromodynamics Collaboration, wykonała pierwsze niezależne od modelu obliczenie tempa syntezy proton-proton bezpośrednio z dynamiki kwarków i gluonów za pomocą technik numerycznych. Szybkość tego procesu jest zbyt mała, aby zmierzyć ją w laboratorium z dwóch powodów: odpychania elektrostatycznego pomiędzy niskoenergetycznymi protonami oraz małych szybkości oddziaływań słabych. Zespół osiągnął teoretyczne przewidywania dla tego procesu poprzez obliczenia, w których usunięto odpychanie elektrostatyczne i zwiększono szybkość słabych oddziaływań, aby zapewnić dostęp do krytycznych elementów procesu. Zostały one następnie przywrócone przy użyciu systematycznych przybliżeń do bazowej teorii fizycznej (techniki efektywnej teorii pola) przy tworzeniu przewidywań dla szybkości reakcji. W pracy tej przeprowadzono również pierwsze obliczenia z zakresu kratowej chromodynamiki kwantowej dotyczące siły słabego przejścia pomiędzy trytonem a helem-3 (niosące istotną informację o oddziaływaniach spinowych w ośrodku jądrowym), które okazały się zgodne z pomiarami eksperymentalnymi. Obliczenia te wykorzystały kratową chromodynamikę kwantową, technikę, w której czasoprzestrzeń jest reprezentowana przez skończoną siatkę punktów, a pola kwantowe opisujące kwarki i gluony są zdefiniowane odpowiednio na tych punktach i połączeniach między nimi. Metoda ta pozwala na ocenę całki ścieżki chromodynamiki kwantowej, poprzez próbkowanie Monte Carlo kwantowego ruchu mechanicznego kwarków i gluonów (cząstek subatomowych, które wiążą kwarki razem). Metoda ta jest całkowicie kontrolowana i może być systematycznie ulepszana i udoskonalana poprzez zmniejszanie fizycznej odległości pomiędzy punktami siatki, poprzez zwiększanie objętości czasoprzestrzeni oraz poprzez zwiększanie próbkowania całki ścieżki. W pracy wykorzystano konfiguracje („migawki” próżni kwantowo-mechanicznej) wygenerowane przy użyciu pakietu oprogramowania Chroma opracowanego w ramach programu DOE’s Scientific Discovery through Advanced Computing finansowanego przez U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration. Istniejące algorytmy i kod do tworzenia jądrowych funkcji korelacyjnych w obliczeniach kratowej chromodynamiki kwantowej oraz nowe algorytmy uwzględniające oddziaływania kwarków z zewnętrznymi sondami, opracowane w ramach NPLQCD, zostały wykorzystane do obliczenia kluczowych wielkości określających szybkość syntezy proton-proton. Wyniki tych obliczeń zostały powiązane z naturą za pomocą technik efektywnej teorii pola. Zrozumienie uzyskane w obliczeniach NPLQCD dotyczących procesu wychwytu neutronów termicznych n+p→d+γ zostało wykorzystane w tym powiązaniu. Dzięki zwiększonym zasobom obliczeniowym, obliczenia te mogą być systematycznie udoskonalane w celu uzyskania niepewności szybkości syntezy proton-proton i podobnych reakcji jądrowych, która jest znacznie mniejsza niż jest to możliwe przy użyciu innych technik. Ten przełom był możliwy dzięki rozwojowi algorytmów i wysokowydajnym zasobom superkomputerowym.
Kontakt
Martin J. Savage
Institute for Nuclear Theory, University of Washington, Seattle, WA
[email protected]
Funding
Ta praca była częściowo wspierana przez U.S. Department of Energy, Office of Science; National Science Foundation; oraz Kavli Institute.
Publikacje
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, and B.C. Tiburzi, „Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process.” Physical Review Letters 115, 132001 (2015).
Related Links
Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics
U.S. Lattice Quantum Chromodynamics
Ta praca została opublikowana w Physical Review Letters jako Editor’s Choice i Featured in Physics. Zobacz https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Highlight Categories
Program: ASCR, HEP, NP
Wykonawca: Uniwersytet, Laboratorium DOE, SC User Facilities, ASCR User Facilities, OLCF
Dodatkowe: Collaborations, Non-DOE Interagency Collaboration
.