Big Bang började bilda och organisera den materia som utgör oss själva och vår värld. Nästan 14 miljarder år senare, kärnfysiker vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och deras partners använder USA:s mest kraftfulla superdatorer för att karakterisera beteendet hos objekt, från subatomära neutroner till neutronstjärnor, som skiljer sig dramatiskt i storlek men är nära förbundna av fysiken.

Genom DOE Office of Sciences Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) program, som samtidigt främjar vetenskap och superdatorer för att påskynda upptäckten, ORNL deltar i två femåriga beräkningsprojekt inom kärnfysik.

Samarbetspartners i det första projektet, Nuclear Computational Low Energy Initiative (NUCLEI), kommer att beräkna egenskaper och reaktioner hos olika atomkärnor som är viktiga i jordiska experiment och astrofysiska miljöer. Cirka 30 forskare vid 12 nationella laboratorier och universitet beräknas dela på finansieringen på 10 miljoner dollar. Joseph Carlson från Los Alamos National Laboratory (LANL) leder NUCLEI, med Stefan Wild från Argonne National Laboratory som meddirektör för tillämpad matematik och datavetenskap och Thomas Papenbrock från University of Tennessee, Knoxville (UTK) och ORNL som meddirektör för fysik.

Det andra projektet, Mot Exascale Astrophysics of Mergers and Supernovae (TEAMS), partners 32 forskare från 12 nationella labb och universitet. Med planerat stöd på 7,25 miljoner dollar, arbetare kommer att simulera supernovexplosioner och sammanslagningar av neutronstjärnor som skapar atomära element tyngre än järn och förutsäga signaturer av dessa katastrofer, som gravitationsvågor. Raph Hix från ORNL leder TEAMS, med Bronson Messer från ORNL som beräkningsledare och Chris Fryer från LANL som vetenskapsledare.

"Det finns en bra synergi - NUCLEI gör ren kärnfysik och TEAMS är, på sätt och vis, gör tillämpad kärnfysik, sa Hix, en kärnkraftsastrofysiker. "Vi behöver deras kärnfysik för att göra vår astrofysik."

NUCLEI-partner kommer att beräkna strukturen, reaktioner, interaktioner och sönderfall av stabila och radioaktiva kärnor (element som sönderfaller till mer stabila tillstånd) för jämförelse med resultat av experiment vid DOE-anläggningar som Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), under uppbyggnad vid Michigan State University. Eftersom astrofysiker behöver högkvalitativ input om hur kärnor verkligen beter sig, information från NUCLEI och från experiment kommer att användas i TEAMS-simuleringar som utforskar hur kärnor skapas under extrema förhållanden för döende stjärnor.

För båda SciDAC-projekten, vetenskaps- och dataexperter kommer att utgå från toppmoderna modeller, numeriska tekniker och högpresterande datorer i ledarskapsklass, som Titan, ORNL:s nuvarande superdator för arbetshäst, eller toppmöte, kommer under 2018.

Beräknar nyckelkärnor

Hur binder den starka kraften protoner och neutroner till kärnor? Hur fångar lätta atomkärnor neutroner för att skapa tyngre grundämnen i stjärnor? Vad är neutrinons natur, som spelar avgörande roll i radioaktivt sönderfall och supernovexplosioner?

Det här är några frågor som NUCLEI-forskare kommer att utforska med hjälp av avancerad tillämpad matematik, datavetenskap och fysik för att beskriva atomkärnor. Beräkningarna är beräkningsmässigt kostsamma. "Med 100 eller fler partiklar, exakta lösningar blev exponentiellt dyra, "Nya metoder möjliggör effektiv prestanda på de snabbaste superdatorerna," sa Papenbrock.

ORNL:s kritiska bidrag till NUCLEIs forskarsamhälle är den kopplade klustermetoden, en effektiv, systematisk utbyggnad av kärnvågsfunktionen med en blygsam beräkningskostnad. Dess lösning ger detaljerade insikter om strukturen och förfallet av atomkärnor och kärnväxelverkan. ORNL:s ledare för NUCLEI-samarbetet, Gaute Hagen, leder också utvecklingen av en flaggskeppskod NUCCOR (NUclear Coupled Cluster Oak Ridge). NUCCOR ger en kompromiss mellan hög noggrannhet och överkomlig datorkostnad.

På ORNL, Hagen, Gustav R. Jansen och George Fann kommer att beräkna egenskaper hos kärnor och deras sönderfall. På UTK, en postdoktor kommer att arbeta med Papenbrock i projektet. NUCLEIs partners vid andra institutioner kommer att ta med sina egna koder, beräkningsmetoder, och expertis till projektet. "Atomkärnor uppvisar mycket olika egenskaper när man går från den lättaste kärnan med en enda nukleon - en proton - till den tyngsta, bestående av cirka 240 nukleoner [protoner eller neutroner], " förklarade Papenbrock. "I detta samarbete, vi har kompletterande metoder som är bra för olika kärnor."

Hagen sa, "På Oak Ridge utvecklade vi första principmetoder som kan beskriva medelmassa och tunga kärnor med utgångspunkt från de underliggande interaktionerna mellan nukleoner. Detta är anmärkningsvärda framsteg på området. För ett decennium sedan beräknade vi strukturen av oxygen-16, syret vi andas, som [har] 16 nukleoner. Idag har vi precis skickat in ett papper om tin-100, som har 100 nukleoner."

NUCLEI-forskare kommer att beräkna egenskaper hos nyckelisotoper, som kalcium-60, som har 20 protoner och 40 neutroner, och är därför mer exotisk än den vanliga stabila isotopen i våra ben och tänder, kalcium-40 (20 protoner, 20 neutroner). "Kalcium-60 har inte mätts ännu, "Sa Hagen. "Ingenting är känt. Att åka till den regionen – och bortom – skulle vara en stor utmaning för teorin. Men så småningom kommer vi att nå dit med de verktyg som vi utvecklar och den datorkraft som kommer att vara tillgänglig för oss under denna SciDAC-period."

Den största kärnan som forskarna föreslår för att beräkna från grunden är bly-208. Kunskaper om vad som håller samman dess nukleoner kan påverka förståelsen av supertunga element bortom bly-208. Dessutom, beräkningarna kommer att komplettera både nuvarande och pågående experiment.

Stjärnorna i oss själva

"Astrofysik är en huvudsakligen multifysikapplikation, sa Hix, som leder det andra SciDAC-projektet där ORNL deltar, känd som TEAMS. "Det finns så många aspekter av fysik inblandade, ingen kan vara expert på allt. Så vi måste bygga lag."

Medlemmarna i TEAMS-projektet kommer att förbättra modeller för dödsfall av massiva stjärnor, kallade core-kollaps supernovor, som sprider kemiska grundämnen i galaxerna, samt modeller av de sista timmarna av stjärnornas liv som sätter de initiala förutsättningarna för kärnkollapssupernovor. De kommer också att förbättra modeller för sammanslagningar av neutronstjärnor, som skapar svarta hål samtidigt som de sprider nybildade element.

Att förbättra TEAMS-simuleringarna kommer att kräva bättre mikroskopisk kärnfysik, förbättra vår förståelse av kärnämnes tillstånd och dess interaktioner med neutriner. TEAMS-forskare kommer också att studera konsekvenserna av explosioner som kan upptäckas med teleskop och vår galax kemiska historia, tillhandahålla observationer som kan jämföras med simuleringar för att validera modeller.

I kärnkollaps supernovor, massiva stjärnor (10 gånger vår sols massa) bygger upp en järnkärna omgiven av lager av lättare element – ​​t.ex. kisel, syre, kol, helium, väte. Så småningom kollapsar järnkärnan och bildar en neutronstjärna, utlösa en chockvåg.

Sedan 1960-talet, forskare har försökt simulera hur denna chockvåg producerar en supernova, börjar med endimensionella modeller som antog att stjärnan var sfäriskt symmetrisk. Simuleringar baserade på dessa modeller resulterade sällan i explosioner. På senare tid, med bättre förståelse för fysiken och snabbare datorer, forskare började köra tvådimensionellt, och senare tredimensionell, kärnkollaps supernovamodeller med förbättrad fysik.

"Beteendet i två eller tre dimensioner är helt annorlunda och du får utvecklingen av stora konvektiva regioner, " Hix sa. "Det är neutrinoenergi som levereras till stötvågen av konvektiva flöden som i slutändan driver upp explosionen. Resultatet är en asymmetrisk explosion som skjuter ut stora plymer."

Kraftkällan som driver denna explosion är den nytillverkade neutronstjärnan, dess solstora massa komprimerad till bara 30 kilometer, frigör enorm energi som snabbt förs bort av neutriner. Att bara fånga en liten bråkdel av de flyende neutrinerna återaktiverar stötvågen, leder till supernovan.

Materialet som skjuts ut i galaxen av supernovan är tillgängligt för att göra nästa generation av stjärnor. Element - syret i ditt andetag, järnet i ditt blod — är påtagliga spårämnen för den kemiska utvecklingen av vår galax ända tillbaka till Big Bang. "Berättelsen dina atomer kunde berätta!" utbrast Hix. "Miljarder år sedan och tusentals ljusår bort, delar av dig har gått igenom supernovor, sammanslagningar av neutronstjärnor och andra exotiska händelser, och vi kan bevisa det eftersom du bär alla element och isotoper som gjordes där. Det finns en tendens när folk tittar på himlen att säga, 'Åh, det är universum.' Men universum är här också, " han sa, knackar på bröstet.