Fusionen av två protoner initierar den primära kärncykeln som driver solen. Hastigheten för denna lågenergi, svag interaktionsfusion är för liten för att mätas i laboratoriet. Även om kärnmodellprognoser för denna reaktion är imponerande, beräkningar utan modeller skulle minska osäkerheterna och ge en mer exakt bild av proton-protonfusion och relaterade processer. Med hjälp av en teknik som kallas gitterkvantkromodynamik, forskare utförde den första framgångsrika modelloberoende beräkningen av proton-protonfusionshastigheten direkt från den grundläggande dynamiken hos kvarker och gluoner (byggstenarna i protoner och kärnor).

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

Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), under paraplyet i U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, utförde den första modelloberoende beräkningen av hastigheten för proton-protonfusion direkt från dynamiken i kvarker och gluoner med hjälp av numeriska tekniker. Hastigheten för denna process är för liten för att mätas i laboratoriet idag av två skäl:den elektrostatiska avstötningen mellan lågenergiprotonerna och de små svaga interaktionshastigheterna. Teamet uppnådde den teoretiska förutsägelsen för denna process genom beräkningar där elektrostatisk avstötning togs bort och de svaga interaktionshastigheterna ökades för att ge tillgång till processens kritiska element.

Dessa återställdes sedan med hjälp av systematiska approximationer till den underliggande fysiska teorin (effektiva fältteoretiska tekniker) för att göra förutsägelsen för reaktionshastigheten. Den första kalkylkvantkromodynamikberäkningen av styrkan hos den svaga övergången mellan triton och helium-3 (som har betydande information om spinninteraktioner i kärnmedium) utfördes också i detta arbete och befanns överensstämma med experimentella mätningar. Dessa beräkningar använde kvantkromodynamik av gitter, en teknik där rymdtid representeras av ett ändligt rutnät av punkter, och kvantfält som beskriver kvarkerna och gluonerna definieras på dessa punkter och länkarna mellan dem, respektive. Denna metod ger en utvärdering av kvantkromodynamikvägsintegralen, genom Monte Carlo -provtagning av kvantmekanisk rörelse av kvarkerna och gluonerna (de subatomära partiklarna som binder kvarkerna samman).

Denna metod är fullständigt kontrollerad och kan systematiskt förbättras och förfinas genom att minska det fysiska avståndet mellan rutpunkterna, genom att öka rymdtidens volym, och genom att öka urvalet av vägintegralen. Detta arbete använde konfigurationer ("ögonblicksbilder" av det kvantmekaniska vakuumet) som genererades med Chromas mjukvarupaket som utvecklats inom DOE:s Scientific Discovery genom Advanced Computing finansierat U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration. Befintliga algoritmer och kod för att bilda kärnkorrelationsfunktioner i kvantkromodynamikberäkningar av gitter och nya algoritmer inklusive interaktioner mellan kvarkar och externa sonder, utvecklad inom NPLQCD, användes för att beräkna nyckelmängderna som bestämmer hastigheten för proton-protonfusion.

Resultaten av dessa beräkningar kopplades till naturen med hjälp av effektiva fältteoretiska tekniker. Förståelse som erhållits i NPLQCD:s beräkningar av den termiska neutronfångstprocessen n+p → d+γ användes för att göra denna anslutning. Med ökade beräkningsresurser, dessa beräkningar kan systematiskt förädlas för att ge osäkerhet i hastigheten för proton-protonfusion, och liknande kärnreaktioner, vilket är betydligt mindre än vad som är möjligt med andra tekniker. Detta genombrott möjliggjordes av algoritmiska utvecklingar och högpresterande superdatorresurser.