Proton-Proton Fusion:

Proton-Proton Fusion:

Storskaliga simuleringar av kvarkar ger en exakt bild av reaktioner av astrofysisk betydelse.

Vetenskapen

Fusionen av två protoner inleder den primära kärncykel som driver solen. Hastigheten för denna fusion med låg energi och svag växelverkan är för liten för att kunna mätas i laboratoriet. Även om kärnmodellernas förutsägelser för denna reaktion är imponerande, skulle beräkningar utan modeller minska osäkerheterna och ge en mer exakt bild av proton-protonfusionen och relaterade processer. Med hjälp av en teknik som kallas lattice quantum chromodynamics utförde forskarna den första framgångsrika modelloberoende beräkningen av fusionshastigheten mellan protoner och protoner direkt från den grundläggande dynamiken hos kvarkar och gluoner (byggstenarna i protoner och atomkärnor).

Inverkan

Detta arbete banar väg för att beräkna hastigheten för proton-protonfusion, och liknande kärnreaktioner av astrofysisk betydelse, med nya nivåer av precision.

Sammanfattning

Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), under paraplyet av U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, utförde den första modelloberoende beräkningen av hastigheten för proton-protonfusion direkt från dynamiken hos kvarkar och gluoner med hjälp av numerisk teknik. Hastigheten för denna process är för liten för att kunna mätas i laboratoriet i dag av två skäl: den elektrostatiska repulsionen mellan lågenergiprotonerna och de små hastigheterna för den svaga växelverkan. Teamet uppnådde den teoretiska förutsägelsen för denna process genom beräkningar där den elektrostatiska repulsionen avlägsnades och den svaga växelverkan ökades för att ge tillgång till processens kritiska delar. Dessa återställdes sedan med hjälp av systematiska approximationer av den underliggande fysikaliska teorin (tekniker för effektiv fältteori) för att göra förutsägelsen för reaktionshastigheten. Den första kvantkromodynamiska beräkningen av styrkan i den svaga övergången mellan triton och helium-3 (som innehåller viktig information om spinninteraktioner i kärnmedium) utfördes också i detta arbete och visade sig stämma överens med experimentella mätningar. Vid dessa beräkningar användes lattice quantum chromodynamics, en teknik där rumtiden representeras av ett ändligt rutnät av punkter, och de kvantfält som beskriver kvarkarna och gluonerna definieras på dessa punkter respektive länkarna mellan dem. Denna metod ger en utvärdering av kvantkromodynamikens banintegral genom Monte Carlo-provtagning av den kvantmekaniska rörelsen hos kvarkarna och gluonerna (de subatomära partiklar som binder ihop kvarkarna). Metoden är helt kontrollerad och kan systematiskt förbättras och förfinas genom att minska det fysiska avståndet mellan rutnätspunkterna, genom att öka rymdtidsvolymen och genom att öka samplingen av banintegralen. I detta arbete användes konfigurationer (”ögonblicksbilder” av det kvantmekaniska vakuumet) som genererats med hjälp av programvarusviten Chroma som utvecklats inom ramen för DOE:s Scientific Discovery through Advanced Computing finansierade U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration. Befintliga algoritmer och koder för att bilda kärnkorrelationsfunktioner i beräkningar av kvantkromodynamik i gitteret och nya algoritmer som inkluderar kvarkars interaktioner med externa sonder, utvecklade inom NPLQCD, användes för att beräkna de nyckelkvantiteter som bestämmer hastigheten för proton-proton-fusion. Resultaten av dessa beräkningar kopplades till naturen med hjälp av tekniker för effektiv fältteori. Förståelse som förvärvats i NPLQCD:s beräkningar av den termiska neutroninfångningsprocessen n+p→d+γ användes för att göra denna koppling. Med ökade beräkningsresurser kan dessa beräkningar systematiskt förfinas för att ge en osäkerhet i hastigheten för proton-protonfusion, och liknande kärnreaktioner, som är betydligt mindre än vad som är möjligt med andra tekniker. Detta genombrott möjliggjordes genom algoritmisk utveckling och högpresterande superdatorresurser.

Kontakt

Martin J. Savage
Institutet för kärnteori, University of Washington, Seattle, WA
[email protected]

Finansiering

Detta arbete har delvis stötts av U.S. Department of Energy, Office of Science; National Science Foundation; och Kavli Institute.

Publikationer

M.J. Savage, P.E. Shanahan, B.C. Tiburzi, M.L. Wagman, F. Winter, S.R. Beane, E. Chang, Z. Davoudi, W. Detmold och 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 och B.C. Tiburzi, ”Ab initio calculation of the np→d3 radiative capture process”. Physical Review Letters 115, 132001 (2015).

Relaterade länkar

Kärnfysik med Lattice Quantum Chromodynamics

U.S. Lattice Quantum Chromodynamics

Detta arbete har publicerats i Physical Review Letters som Editor’s Choice och Featured in Physics. Se https://journals.aps.org/prl/issues/119/6#sect-letters-elementary-particles-and-fields

Highlight Categories

Program: ASCR, HEP, NP

Utförare: Universitet, DOE-laboratorium, SC User Facilities, ASCR User Facilities, OLCF

Ytterligare: Samarbeten, Samarbete mellan organ utanför DOE