De oerknal begon met de vorming en organisatie van de materie waaruit wij en onze wereld bestaan. Bijna 14 miljard jaar later, kernfysici van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy en hun partners gebruiken Amerika's krachtigste supercomputers om het gedrag van objecten te karakteriseren, van subatomaire neutronen tot neutronensterren, die enorm verschillen in grootte maar toch nauw met elkaar verbonden zijn door de natuurkunde.

Via het DOE Office of Science's Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) -programma, die tegelijkertijd wetenschap en supercomputing bevordert om ontdekking te versnellen, ORNL neemt deel aan twee vijfjarige computationele kernfysica-projecten.

Medewerkers van het eerste project, het Nuclear Computational Low Energy Initiative (NUCLEI), berekent eigenschappen en reacties van diverse atoomkernen die belangrijk zijn in aardse experimenten en astrofysische omgevingen. Ongeveer 30 onderzoekers van 12 nationale laboratoria en universiteiten zijn gepland om de financiering van $ 10 miljoen te delen. Joseph Carlson van Los Alamos National Laboratory (LANL) leidt NUCLEI, met Stefan Wild van Argonne National Laboratory als co-directeur voor toegepaste wiskunde en informatica en Thomas Papenbrock van de Universiteit van Tennessee, Knoxville (UTK) en ORNL als mededirecteur natuurkunde.

Het tweede project, Op weg naar Exascale Astrofysica van Fusies en Supernovae (TEAMS), partners 32 onderzoekers van 12 nationale laboratoria en universiteiten. Met geplande steun van $ 7,25 miljoen, werknemers zullen supernova-explosies en fusies van neutronensterren simuleren die atomaire elementen creëren die zwaarder zijn dan ijzer en handtekeningen van deze catastrofes voorspellen, zoals zwaartekrachtgolven. Raph Hix van ORNL leidt TEAMS, met Bronson Messer van ORNL als computational lead en Chris Fryer van LANL als science lead.

"Er is een mooie synergie - NUCLEI doet aan pure kernfysica en TEAMS is, in zekere zin, toegepaste kernfysica doen, " zei Hix, een nucleair astrofysicus. "We hebben hun kernfysica nodig om onze astrofysica te doen."

NUCLEI-partners berekenen de structuur, reacties, interacties en verval van stabiele en radioactieve kernen (elementen die vervallen tot stabielere toestanden) ter vergelijking met resultaten van experimenten bij DOE-faciliteiten zoals de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), in aanbouw aan de Michigan State University. Omdat astrofysici hoogwaardige input nodig hebben over hoe kernen zich werkelijk gedragen, informatie van NUCLEI en van experimenten zal worden gebruikt in TEAMS-simulaties die onderzoeken hoe kernen worden gecreëerd onder de extreme omstandigheden van stervende sterren.

Voor beide SciDAC-projecten wetenschaps- en computerexperts gaan uit van state-of-the-art modellen, numerieke technieken en krachtige computers van leiderschapsklasse, zoals Titaan, ORNL's huidige werkpaard supercomputer, of top, komt in 2018.

Kernkernen berekenen

Hoe bindt de sterke kracht protonen en neutronen in kernen? Hoe vangen lichte atoomkernen neutronen op om zwaardere elementen in sterren te creëren? Wat is de aard van het neutrino, die een cruciale rol speelt bij radioactief verval en supernova-explosies?

Dit zijn enkele vragen die NUCLEI-onderzoekers zullen onderzoeken met behulp van geavanceerde toegepaste wiskunde, informatica en natuurkunde om atoomkernen te beschrijven. De berekeningen zijn rekenkundig kostbaar. "Met 100 of meer deeltjes, exacte oplossingen werden exponentieel duur, "Zei Papenbrock. "Nieuwe methoden maken efficiënte prestaties mogelijk op de snelste supercomputers."

ORNL's cruciale bijdrage aan de wetenschappelijke gemeenschap van NUCLEI is de gekoppelde-clustermethode, Een efficiënt, systematische uitbreiding van de nucleaire golffunctie met een bescheiden rekenkost. De oplossing biedt gedetailleerd inzicht in de structuur en het verval van atoomkernen en nucleaire interacties. ORNL's lead voor de NUCLEI-samenwerking, Gaute Hagen, leidt ook de ontwikkeling van een vlaggenschipcode NUCCOR (NUclear Coupled Cluster Oak Ridge). NUCCOR biedt een compromis tussen hoge nauwkeurigheid en betaalbare computerkosten.

Bij ORNL, Hagen, Gustav R. Jansen en George Fann gaan de eigenschappen van kernen en hun verval berekenen. Bij UTK, een postdoctoraal onderzoeker werkt samen met Papenbrock aan het project. NUCLEI-partners bij andere instellingen zullen hun eigen codes meebrengen, rekenmethoden, en expertise voor het project. "Atoomkernen vertonen heel verschillende eigenschappen, aangezien men van de lichtste kern met een enkel nucleon - een proton - naar de zwaarste gaat, bestaande uit ongeveer 240 nucleonen [protonen of neutronen], " legde Papenbrock uit. "In deze samenwerking, we hebben complementaire methoden die goed zijn voor verschillende kernen."

Hagen zei, "Bij Oak Ridge hebben we eerste-principes-methoden ontwikkeld die middelzware en zware kernen kunnen beschrijven uitgaande van de onderliggende interacties tussen nucleonen. Dit is een opmerkelijke vooruitgang in het veld. Een decennium geleden berekenden we de structuur van zuurstof-16, de zuurstof die we inademen, die [heeft] 16 nucleonen. Vandaag hebben we net een paper ingediend over tin-100, die 100 nucleonen heeft."

NUCLEI-onderzoekers zullen eigenschappen van belangrijke isotopen berekenen, zoals calcium-60, die 20 protonen en 40 neutronen heeft, en is daarom exotischer dan de gewone stabiele isotoop in onze botten en tanden, calcium-40 (20 protonen, 20 neutronen). "Calcium-60 is nog niet gemeten, ' zei Hagen. 'Er is niets bekend. Om naar die regio te gaan - en verder - zou een grote uitdaging zijn voor de theorie. Maar uiteindelijk zullen we er komen met de tools die we ontwikkelen en de rekenkracht die in deze SciDAC-periode voor ons beschikbaar komt."

De grootste kern die de wetenschappers voorstellen om helemaal opnieuw te berekenen, is lood-208. Kennis die is opgedaan over wat zijn nucleonen bij elkaar houdt, kan van invloed zijn op het begrip van superzware elementen buiten lood-208. Bovendien, de berekeningen zullen zowel huidige als lopende experimenten aanvullen.

De sterren in onszelf

"Astrofysica is een typisch multi-fysische toepassing, " zei Hix, die het andere SciDAC-project leidt waarin ORNL participeert, bekend onder de naam TEAMS. "Er zijn zoveel facetten van natuurkunde bij betrokken; niemand kan er expert in zijn. Dus we moeten teams bouwen."

De leden van het TEAMS-project zullen modellen van de dood van massieve sterren verbeteren, kern-instorting supernova's genoemd, die chemische elementen door de sterrenstelsels verspreiden, evenals modellen van de laatste uren van het leven van de sterren die de beginvoorwaarden bepalen voor supernova's die instorten. Ze zullen ook modellen van de fusies van neutronensterren verbeteren, die zwarte gaten creëren en tegelijkertijd nieuw gevormde elementen verspreiden.

Het verbeteren van de TEAMS-simulaties vereist betere microscopische kernfysica, het verbeteren van ons begrip van de toestanden van nucleaire materie en de interacties met neutrino's. TEAMS-wetenschappers zullen ook de gevolgen bestuderen van explosies die detecteerbaar zijn door telescopen en de chemische geschiedenis van onze melkweg, het leveren van waarnemingen die kunnen worden vergeleken met simulaties om modellen te valideren.

In supernova's die instorten, massieve sterren (10 keer de massa van onze zon) bouwen een ijzeren kern op, omringd door lagen lichtere elementen, bijv. silicium, zuurstof, koolstof, helium, waterstof. Uiteindelijk stort de ijzeren kern in en vormt een neutronenster, een schokgolf lanceren.

Sinds de jaren zestig, wetenschappers hebben geprobeerd te simuleren hoe deze schokgolf een supernova produceert, te beginnen met eendimensionale modellen die aannamen dat de ster bolsymmetrisch was. Simulaties op basis van die modellen resulteerden zelden in explosies. Recenter, met een beter begrip van de fysica en snellere computers, onderzoekers begonnen tweedimensionale, en later driedimensionaal, core-collapse supernova-modellen met verbeterde fysica.

"Het gedrag in twee of drie dimensies is compleet anders en je krijgt de ontwikkeling van grote convectieve regio's, Hix zei. "Het is neutrino-energie die door convectieve stromen aan de schokgolf wordt geleverd die uiteindelijk de explosie aandrijft. Het resultaat is een asymmetrische explosie die grote pluimen uitschiet."

De krachtbron die deze explosie aandrijft, is de nieuw gemaakte neutronenster, zijn massa zo groot als de zon samengeperst tot slechts 30 kilometer, waarbij enorme energie vrijkomt die snel door neutrino's wordt meegevoerd. Door slechts een klein deel van de ontsnappende neutrino's te vangen, wordt de schokgolf opnieuw geactiveerd, leidend tot de supernova.

Het materiaal dat door de supernova het melkwegstelsel in wordt geschoten, is beschikbaar om de volgende generatie sterren te maken. Elementen - de zuurstof in je adem, het ijzer in je bloed - zijn tastbare sporen van de chemische evolutie van onze melkweg helemaal terug naar de oerknal. 'Het verhaal dat je atomen kunnen vertellen!' riep Hix uit. "Miljarden jaren geleden en duizenden lichtjaren verwijderd, delen van jou hebben supernova's meegemaakt, fusies van neutronensterren en andere exotische gebeurtenissen, en we kunnen het bewijzen omdat je alle elementen en isotopen draagt ​​die daar zijn gemaakt. Er is een neiging als mensen naar de lucht kijken om te zeggen:'Oh, dat is het universum.' Maar het universum is hier ook, " hij zei, op zijn borst tikken.