Kärnfysiker använder landets mest kraftfulla superdator, Titan, vid Oak Ridge Leadership Computing Facility för att studera partikelinteraktioner som är viktiga för energiproduktion i solen och stjärnorna och driva sökandet efter nya fysiska upptäckter

Direkta beräkningar av dessa kärnprocesser kan bidra med ny och grundläggande information till områdena högenergifysik, kärnvetenskap, och astrofysik, inklusive hur materia bildades i det tidiga universum och dess relation till mörk materia och universums storskaliga struktur.

Forskargruppen som använder Titan, inklusive huvudutredaren William Detmold från Massachusetts Institute of Technology, beräknar proton-protonfusion-en process som driver solen och andra stjärnor där två protoner smälter samman för att bilda ett deuteron-och dubbla betaförfall, en sällsynt process som uppstår när en instabil kärna sönderfaller genom att avge två elektroner med eller utan neutrinoer (subatomära partiklar med massa nära noll).

Även om dubbel beta -sönderfall med neutrinoer har observerats i experiment, laget är fokuserat på neutrinolöst dubbel beta -sönderfall - en typ av dubbel beta -sönderfall som förutses av teori där inga neutrinoer avges, bara elektroner. Ännu att observera, denna neutrinolösa process är av stort intresse för fysiker eftersom den kan leda till nya upptäckter utöver den nuvarande modellen för partikelfysik som kallas standardmodellen.

Standardmodellen, en beskrivning av alla kända subatomära partiklar och grundkrafter i universum utom gravitation, har hållit på i experiment gång på gång. Dock, Standardmodellen är inte komplett eftersom den inte helt kan förklara vad forskare observerar i kosmisk skala.

Baserat på observationer av galaxer, supernova, och andra fenomen, forskare uppskattar att universum består av mycket liten vanlig materia (endast cirka 5 procent) och mestadels är osynlig mörk materia som utövar ett drag från vanligt material (cirka 25 procent) och mörk energi (cirka 70 procent). Ändå vet forskare inte vad som utgör mörk materia eller på vilket sätt den kan interagera med vanlig materia annat än gravitationellt.

För att svara på dessa och andra kosmiska frågor, experiment byggs runt om i världen för att undersöka partikelinteraktioner vid nya skalor och energier, och superdatorer används för att simulera sällsynta eller teoretiska interaktioner. Genom att modellera interaktioner mellan enkla kärnor, fysiker kan förstå vilken typ av experiment de behöver bygga och vad de kan förvänta sig av experimentella data.

På Titan, Detmolds team använde komplexa gitterkvantkromodynamiska (QCD) beräkningar för att förutsäga reaktionshastigheten-sannolikheten för att kärnfusion eller sönderfall kommer att inträffa-av proton-protonfusion och en viktig del av den teoretiska hastigheten för neutrinolöst dubbelbetaförfall.

"Vi visar att du kan se kärnornas bundna tillstånd med hjälp av kvantkromodynamik, "Detmold sa." Därifrån, vi beräknar de enklaste kärnkraftsprocesser som händer. "

Modellering av rymdtid

Kärnfusion av väte - det lättaste elementet som endast består av en proton och elektron - driver stjärnor i miljoner till miljarder år. Detmolds team beräknade proton-proton-fusionstvärsnittet på superdatorer eftersom denna interaktion spelar en avgörande roll i solenergiproduktion.

"Vi kan inte experimentellt testa proton-protonfusion så bra, "Detmold sa." Även om du tar ett protonmål och bestrålar det med en stråle av protoner, protonerna kommer bara att spridas, inte säkring, så denna fusionsprocess är mycket sällsynt i laboratoriet. "

I denna process, två protoner övervinner sin elektromagnetiska avstötning mellan lika laddningar och interagerar genom kortdistans, subatomär kraft som kallas den svaga kraften.

Gitter-QCD-beräkningar representerar hur de grundläggande partiklarna som bildar protoner-kvarker och gluoner-interagerar i volymen av tid i vilken proton-protonfusion sker. Kvarker är de minsta kända beståndsdelarna i materia, och gluoner är de kraftbärande partiklarna som binder dem. Uppkallad efter 4-D-rutnätet (gallret) som representerar rymdtid och den unika "färgladdningen" (krom), som hänvisar till hur kvarker och gluoner kombineras snarare än till verkliga färger, gitter QCD -beräkningar är intensiva beräkningar som kan kräva superdatoreffekt.

Effektivt använder Titans GPU-accelererade arkitektur, Detmolds team använde Chroma gitter-QCD-biblioteket (utvecklat främst av Robert Edwards och Balint Joò från Thomas Jefferson National Accelerator Facility) med en ny algoritm för att inkludera svaga interaktioner som är viktiga för proton-protonfusion och QUDA, ett QCD -bibliotek för gitter för GPU:er (utvecklat främst av Kate Clark från NVIDIA). Beräkningarna genererade mer än 1, 000 ögonblicksbilder av 4-D-gitteret med 10 miljoner beräkningspunkter per ögonblicksbild.

"Detta är de första QCD-beräkningarna av proton-protonfusionshastigheten, Sa Detmold.

Forskare använde samma QCD -algoritmer för att beräkna en annan svag interaktionsprocess, tritium beta -förfall, som har studerats experimentellt och användes för att verifiera beräkningarna.

Begränsar sökningen

Forskare beräknade också delprocesser som bidrar till dubbla beta -sönderfallshastigheter, inklusive teoretiska hastigheter för neutrinolöst dubbel beta -sönderfall.

En sällsynt partikelhändelse, dubbel beta -sönderfall förutspåddes först 1935 men observerades inte i experiment förrän på 1980 -talet. Denna typ av sönderfall kan uppstå naturligt när två neutroner sönderfaller i två protoner inuti en kärna, avger två elektroner och två neutrinoer i processen. Även om det är sällsynt, dubbel beta -sönderfall förekommer i vissa isotoper av tunga element som ett sätt för kärnan att stabilisera sitt antal protoner och neutroner.

Neutrinolöst dubbel beta -sönderfall, förutspådde också för över ett halvt sekel sedan, har aldrig observerats. Dock, denna potentiella process har fått mycket större betydelse under de senaste åren sedan fysiker upptäckte att neutrinoer har en liten massa. Eftersom neutrino har en neutral laddning, det är teoretiskt möjligt att det är en egen antipartikel - en partikel med samma massa men motsatt laddning. Antipartiklar finns i naturen och har skapats och observerats i experiment, men materialpartiklar är mycket mer dominerande i naturen.

En partikel som är sin egen antipartikel, känd som en Majorana -partikel, kan hjälpa till att förklara den mekanism genom vilken materia gick före antimateria i universum, som är en av de stora utestående frågorna inom kosmologi.

Många experiment över hela världen försöker observera neutrinolöst dubbel beta -sönderfall, vilket skulle bekräfta förekomsten av en Majorana neutrino. En sådan upptäckt skulle, för första gången, ge en entydig signatur på kränkningen av bevarandet av leptonnummer - principen som beskriver balansen mellan vissa typer av materialpartiklar och deras antipartiklar.

Experiment som MAJORANA -demonstratorn vid Sanford Underground Research Facility kyler tunga element i underjordiska laboratorier till temperaturer kallare än tomt utrymme. På sina avlägsna platser med kraftig skärmning, neutrino -detektorer som MAJORANA Demonstrator gör det möjligt för forskare att begränsa sin sökning efter sällsynta neutrino -interaktioner.

Eftersom neutrinolöst dubbel beta -förfall är teoretiskt och om det är riktigt, fortfarande mycket sällsynt, forskare måste göra extremt förfinade förutsägelser av dess reaktionshastighet. Ju mindre reaktionshastighet, de mindre sannolika experimenten kommer att kunna fånga processen och desto större måste den experimentella detektorn vara. Titanberäkningarna hjälper forskare att förstå potentiella sönderfallshastigheter.

"I sista hand, vad vi försöker bestämma är hur troligt ett experiment av en viss storlek kommer att kunna se denna process, så vi behöver veta reaktionshastigheten, Sa Detmold.

Nuvarande neutrino -experiment är pilotskala, med tiotals kilo av ett tungt grundmedium (germaniumkristaller i fallet MAJORANA). Framtida detektorer kan byggas i tonskala, och det är viktigt att veta att ett sådant experiment skulle vara tillräckligt känsligt för att se neutrinolöst dubbel beta -förfall om det finns.

Lagets beräkningar av dubbla betaförfall på Titan ger den typ av teoretiskt stöd som experimenter behöver för att utveckla experiment och analysera data.

Men proton-protonfusion och neutrinolöst dubbel beta-sönderfall är bara två kärnprocesser av många som kan vara inkörsport till nya upptäckter inom fysik.

Med nästa generations system som OLCF:s Summit-superdator, som kommer online senare i år, dessa beräkningar kommer att tas till en ny noggrannhet, och forskare kan börja studera förfall och interaktioner mellan mer komplexa kärnor.

"Nu när vi har visat att vi kan kontrollera dessa få nukleonprocesser, vi kan börja beräkna mer komplicerade processer, Sa Detmold.