Proton-Proton Fusion: Powering the Sun
Simulaties op grote schaal van quarks beloven nauwkeurig beeld van reacties van astrofysisch belang.
Image courtesy of William Detmold
De wetenschap
De fusie van twee protonen initieert de primaire nucleaire cyclus die de zon aandrijft. De snelheid van deze laagenergetische, zwakke-interactie fusie is te klein om in het laboratorium te worden gemeten. Hoewel de voorspellingen van nucleaire modellen voor deze reactie indrukwekkend zijn, zouden berekeningen zonder modellen de onzekerheden verkleinen en een nauwkeuriger beeld geven van proton-protonfusie en verwante processen. Met behulp van een techniek die raster-quantum-chromodynamica wordt genoemd, hebben wetenschappers de eerste succesvolle modelonafhankelijke berekening van de proton-protonfusiesnelheid uitgevoerd, rechtstreeks uit de fundamentele dynamica van quarks en gluonen (de bouwstenen van protonen en kernen).
De impact
Dit werk maakt de weg vrij om de snelheid van proton-proton fusie, en soortgelijke kernreacties van astrofysisch belang, met nieuwe precisieniveaus te berekenen.
Samenvatting
De Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), onder de paraplu van de U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, heeft de eerste model-onafhankelijke berekening uitgevoerd van de snelheid voor proton-proton fusie direct uit de dynamica van quarks en gluonen met behulp van numerieke technieken. De snelheid van dit proces is te klein om vandaag in het laboratorium te worden gemeten om twee redenen: de elektrostatische afstoting tussen de protonen met lage energie en de geringe snelheid van de zwakke wisselwerking. Het team bereikte de theoretische voorspelling voor dit proces door berekeningen waarin de elektrostatische afstoting werd verwijderd en de zwakke interactiesnelheden werden verhoogd om toegang te krijgen tot de kritische elementen van het proces. Deze werden vervolgens hersteld door gebruik te maken van systematische benaderingen van de onderliggende fysische theorie (effectieve veldtheoretische technieken) bij het maken van de voorspelling voor de reactiesnelheid. De eerste roosterkwantumchromodynamische berekening van de sterkte van de zwakke overgang tussen het triton en helium-3 (die belangrijke informatie over spininteracties in het atoommedium bevat) werd ook in dit werk uitgevoerd en in overeenstemming bevonden met experimentele metingen. Bij deze berekeningen werd gebruik gemaakt van de raster-kwantumchromodynamica, een techniek waarbij de ruimte-tijd wordt voorgesteld door een eindig raster van punten, en de kwantumvelden die de quarks en gluonen beschrijven worden gedefinieerd op respectievelijk deze punten en de verbindingen ertussen. Deze methode geeft een evaluatie van de padintegraal van de quantumchromodynamica, door Monte Carlo-bemonstering van de quantummechanische beweging van de quarks en gluonen (de subatomaire deeltjes die de quarks samenbinden). Deze methode is volledig gecontroleerd en kan systematisch worden verbeterd en verfijnd door de fysieke afstand tussen de rasterpunten te verkleinen, door het volume van de ruimte-tijd te vergroten, en door de bemonstering van de padintegraal te vergroten. In dit werk is gebruik gemaakt van configuraties (“momentopnamen” van het kwantummechanische vacuüm) die zijn gegenereerd met behulp van de Chroma-softwaresuite, ontwikkeld binnen de door DOE gefinancierde Scientific Discovery through Advanced Computing U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration. Bestaande algoritmen en code voor het vormen van nucleaire correlatiefuncties in roosterberekeningen voor kwantumchromodynamica en nieuwe algoritmen, waaronder de interacties van quarks met externe sondes, ontwikkeld binnen NPLQCD, werden gebruikt om de belangrijkste grootheden te berekenen die de snelheid voor proton-protonfusie bepalen. De resultaten van deze berekeningen werden met behulp van effectieve-veldentheorie-technieken met de natuur in verband gebracht. Bij het leggen van dit verband is gebruik gemaakt van het inzicht dat is verkregen bij de NPLQCD-berekeningen van het thermische neutronenvangstproces n+p→d+γ. Met meer computermiddelen kunnen deze berekeningen systematisch worden verfijnd om te komen tot een onzekerheid in de snelheid voor proton-proton fusie, en soortgelijke kernreacties, die aanzienlijk kleiner is dan met andere technieken mogelijk is. Deze doorbraak werd mogelijk gemaakt door algoritmische ontwikkelingen en krachtige supercomputermiddelen.
Contact
Martin J. Savage
Institute for Nuclear Theory, University of Washington, Seattle, WA
[email protected]
Funding
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het U.S. Department of Energy, Office of Science; National Science Foundation; en het Kavli Institute.
Publicaties
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).
Gerelateerde links
Nucleaire fysica met Lattice Quantum Chromodynamics
U.S. Lattice Quantum Chromodynamics
Dit werk is gepubliceerd in Physical Review Letters als een Editor’s Choice en Featured in Physics. Zie https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Highlight Categories
Programma: ASCR, HEP, NP
Uitvoerder: Universiteit, DOE-laboratorium, SC-gebruikersfaciliteiten, ASCR-gebruikersfaciliteiten, OLCF
Additioneel: Samenwerkingen, Niet-DOE Samenwerking tussen agentschappen