De fusie van twee protonen initieert de primaire nucleaire cyclus die de zon aandrijft. De snelheid van deze energiezuinige, fusie met zwakke interactie is te klein om in het laboratorium te meten. Hoewel de voorspellingen van nucleaire modellen voor deze reactie indrukwekkend zijn, berekeningen zonder modellen zouden de onzekerheden verminderen en een nauwkeuriger beeld geven van proton-protonfusie en gerelateerde processen. Met behulp van een techniek genaamd roosterkwantumchromodynamica, wetenschappers voerden de eerste succesvolle modelonafhankelijke berekening van de proton-protonfusiesnelheid rechtstreeks uit de fundamentele dynamiek van quarks en gluonen (de bouwstenen van protonen en kernen).

Dit werk maakt de weg vrij om de snelheid van proton-protonfusie te berekenen, en soortgelijke kernreacties van astrofysisch belang, met nieuwe niveaus van precisie.

De kernfysica met Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), onder de paraplu van de Amerikaanse Quantum Chromodynamics Collaboration, voerde de eerste modelonafhankelijke berekening uit van de snelheid voor proton-protonfusie rechtstreeks vanuit de dynamiek van quarks en gluonen met behulp van numerieke technieken. De snelheid van dit proces is te klein om vandaag in het laboratorium te meten om twee redenen:de elektrostatische afstoting tussen de laagenergetische protonen en de kleine zwakke interactiesnelheden. Het team bereikte de theoretische voorspelling voor dit proces door middel van berekeningen waarin elektrostatische afstoting werd verwijderd en de zwakke interactiesnelheden werden verhoogd om toegang te krijgen tot de kritieke elementen van het proces.

Deze werden vervolgens hersteld met behulp van systematische benaderingen van de onderliggende fysische theorie (effectieve veldtheorietechnieken) bij het maken van de voorspelling voor de reactiesnelheid. De eerste roosterquantumchromodynamicaberekening van de sterkte van de zwakke overgang tussen de triton en helium-3 (die significante informatie bevatten over spin-interacties in nucleair medium) werd ook in dit werk uitgevoerd en bleek consistent te zijn met experimentele metingen. Deze berekeningen gebruikten roosterkwantumchromodynamica, een techniek waarbij ruimte-tijd wordt weergegeven door een eindig raster van punten, en de kwantumvelden die de quarks en gluonen beschrijven, zijn gedefinieerd op deze punten en de verbanden daartussen, respectievelijk. Deze methode biedt een evaluatie van de padintegraal van de kwantumchromodynamica, door middel van Monte Carlo-bemonstering van de kwantummechanische beweging van de quarks en gluonen (de subatomaire deeltjes die de quarks aan elkaar binden).

Deze methode is volledig gecontroleerd en kan systematisch worden verbeterd en verfijnd door de fysieke afstand tussen de rasterpunten te verkleinen, door het volume van de ruimte-tijd te vergroten, en door de bemonstering van de padintegraal te vergroten. Dit werk maakte gebruik van configuraties ("snapshots" van het kwantummechanische vacuüm) gegenereerd met behulp van de Chroma-softwaresuite die is ontwikkeld binnen DOE's Scientific Discovery via Advanced Computing gefinancierde Amerikaanse Quantum Chromodynamics Collaboration. Bestaande algoritmen en code voor het vormen van nucleaire correlatiefuncties in roosterquantumchromodynamicaberekeningen en nieuwe algoritmen, waaronder de interacties van quarks met externe sondes, ontwikkeld binnen NPLQCD, werden gebruikt om de belangrijkste grootheden te berekenen die de snelheid voor proton-protonfusie bepalen.

De resultaten van deze berekeningen werden verbonden met de natuur met behulp van effectieve veldtheorietechnieken. Bij het maken van dit verband werd gebruik gemaakt van het inzicht dat werd verkregen in NPLQCD's berekeningen van het thermische neutronenvangproces n+p→d+γ. Met meer rekenkracht, deze berekeningen kunnen systematisch worden verfijnd om een ​​onzekerheid in de snelheid voor proton-protonfusie te verschaffen, en soortgelijke kernreacties, die aanzienlijk kleiner is dan mogelijk is met andere technieken. Deze doorbraak werd mogelijk gemaakt door algoritmische ontwikkelingen en krachtige supercomputerbronnen.