Fuziune proton-proton: Powering the Sun
Simulările la scară largă ale quarcilor promit o vizualizare precisă a reacțiilor de importanță astrofizică.
Imagine prin amabilitatea lui William Detmold
Știința
Fuziunea a doi protoni inițiază ciclul nuclear primar care alimentează Soarele. Rata acestei fuziuni de joasă energie, cu interacțiune slabă, este prea mică pentru a fi măsurată în laborator. Deși predicțiile modelelor nucleare pentru această reacție sunt impresionante, calculele fără modele ar reduce incertitudinile și ar oferi o viziune mai precisă asupra fuziunii proton-proton și a proceselor conexe. Utilizând o tehnică numită cromodinamică cuantică în rețea, oamenii de știință au realizat primul calcul reușit, independent de model, al ratei de fuziune proton-proton direct din dinamica fundamentală a quarcilor și gluonilor (elementele constitutive ale protonilor și nucleelor).
Impact
Această lucrare deschide calea pentru a calcula rata de fuziune proton-proton și reacții nucleare similare de importanță astrofizică, cu noi niveluri de precizie.
Rezumat
Colectivul Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), sub egida U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, a realizat primul calcul independent de model al ratei de fuziune proton-proton direct din dinamica quarcilor și gluonilor, folosind tehnici numerice. Rata acestui proces este prea mică pentru a fi măsurată în prezent în laborator din două motive: repulsia electrostatică dintre protonii de joasă energie și ratele mici de interacțiune slabă. Echipa a obținut predicția teoretică pentru acest proces prin calcule în care repulsia electrostatică a fost eliminată, iar ratele de interacțiune slabă au fost mărite pentru a oferi acces la elementele critice ale procesului. Acestea au fost apoi restabilite cu ajutorul unor aproximări sistematice ale teoriei fizice de bază (tehnici ale teoriei câmpurilor efective) în realizarea predicției pentru rata de reacție. În cadrul acestei lucrări a fost efectuat, de asemenea, primul calcul de cromodinamică cuantică în rețea al intensității tranziției slabe dintre triton și heliu-3 (care poartă informații semnificative despre interacțiunile de spin în mediul nuclear) și s-a constatat că este în concordanță cu măsurătorile experimentale. Aceste calcule au utilizat cromodinamica cuantică în rețea, o tehnică în care spațiul-timp este reprezentat de o grilă finită de puncte, iar câmpurile cuantice care descriu quarcii și gluonii sunt definite pe aceste puncte și, respectiv, legăturile dintre ele. Această metodă oferă o evaluare a integralei traiectoriei cromodinamicii cuantice, prin eșantionarea Monte Carlo a mișcării mecanice cuantice a quarcurilor și gluonilor (particulele subatomice care leagă quarcurile între ele). Această metodă este complet controlată și poate fi îmbunătățită și rafinată în mod sistematic prin reducerea distanței fizice dintre punctele din grilă, prin creșterea volumului de spațiu-timp și prin creșterea eșantionării integralei de traiectorie. În această lucrare au fost utilizate configurații („instantanee” ale vidului mecanic cuantic) generate cu ajutorul suitei de software Chroma, dezvoltată în cadrul colaborării americane pentru cromodinamică cuantică, finanțată de DOE’s Scientific Discovery through Advanced Computing. Algoritmii existenți și codul pentru formarea funcțiilor de corelație nucleară în calculele de cromodinamică cuantică în rețea, precum și noi algoritmi care includ interacțiunile quarcilor cu sonde externe, dezvoltați în cadrul NPLQCD, au fost utilizați pentru a calcula cantitățile cheie care determină rata de fuziune proton-proton. Rezultatele acestor calcule au fost conectate la natură cu ajutorul tehnicilor teoriei câmpurilor efective. În realizarea acestei conexiuni a fost utilizată înțelegerea dobândită în cadrul calculelor NPLQCD privind procesul de captare termică a neutronilor n+p→d+γ. Cu resurse de calcul sporite, aceste calcule pot fi rafinate în mod sistematic pentru a oferi o incertitudine în ceea ce privește rata de fuziune proton-proton și reacții nucleare similare, care este semnificativ mai mică decât este posibil cu alte tehnici. Această descoperire a fost posibilă datorită dezvoltărilor algoritmice și a resurselor de supercalculatoare de înaltă performanță.
Contact
Martin J. Savage
Institutul de Teorie Nucleară, Universitatea din Washington, Seattle, WA
[email protected]
Finanțare
Această lucrare a fost sprijinită în parte de Departamentul de Energie al SUA, Biroul de Știință; Fundația Națională de Știință; și Institutul Kavli.
Publicații
M.J. Savage, P.E. Shanahan, B.C. Tiburzi, M.L. Wagman, F. Winter, S.R. Beane, E. Chang, Z. Davoudi, W. Detmold, și 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 și B.C. Tiburzi, „Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process”. Physical Review Letters 115, 132001 (2015).
Legături conexe
Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics
U.S. Lattice Quantum Chromodynamics
Această lucrare este publicată în Physical Review Letters ca Editor’s Choice și Featured in Physics. A se vedea https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields
Categorii evidențiate
Programul
: ASCR, HEP, NP
Executant: Universitate, Laborator DOE, Instalații utilizatoare SC, Instalații utilizatoare ASCR, OLCF
Suplimentar: Colaborări, Colaborare interagenții non-DOE