Kernfysici gebruiken de krachtigste supercomputer van het land, Titan, aan de Oak Ridge Leadership Computing Facility om de interacties tussen deeltjes te bestuderen die belangrijk zijn voor de energieproductie in de zon en de sterren en om de zoektocht naar nieuwe natuurkundige ontdekkingen voort te stuwen

Directe berekeningen van deze nucleaire processen kunnen nieuwe en fundamentele informatie opleveren op het gebied van hoge-energiefysica, nucleaire wetenschap, en astrofysica, inclusief hoe materie gevormd werd in het vroege heelal en de relatie met donkere materie en de grootschalige structuur van het heelal.

Het onderzoeksteam dat Titan gebruikt, waaronder hoofdonderzoeker William Detmold van het Massachusetts Institute of Technology, berekent proton-protonfusie - een proces dat de zon en andere sterren aandrijft waarin twee protonen samensmelten om een ​​deuteron te vormen - en dubbel bètaverval, een zeldzaam proces dat optreedt wanneer een onstabiele kern vervalt door het uitzenden van twee elektronen met of zonder neutrino's (subatomaire deeltjes met een massa van bijna nul).

Hoewel in experimenten dubbel bètaverval met neutrino's is waargenomen, het team is gericht op neutrinoloos dubbel bètaverval - een soort dubbel bètaverval dat wordt voorspeld door de theorie waarbij geen neutrino's worden uitgestoten, alleen elektronen. Nog te observeren, dit neutrinoloze proces is van groot belang voor natuurkundigen omdat het zou kunnen leiden tot nieuwe ontdekkingen die verder gaan dan het huidige model van deeltjesfysica dat bekend staat als het standaardmodel.

Het standaardmodel, een beschrijving van alle bekende subatomaire deeltjes en fundamentele krachten in het universum behalve de zwaartekracht, heeft keer op keer standgehouden in experimenten. Echter, het standaardmodel is niet compleet omdat het niet volledig kan verklaren wat wetenschappers op kosmische schaal waarnemen.

Op basis van waarnemingen van sterrenstelsels, supernova, en andere verschijnselen, onderzoekers schatten dat het heelal uit heel weinig gewone materie bestaat (slechts ongeveer 5 procent) en grotendeels onzichtbare donkere materie is die een aantrekkingskracht uitoefent op gewone materie (ongeveer 25 procent) en donkere energie (ongeveer 70 procent). Toch weten wetenschappers niet waaruit donkere materie bestaat of op welke manieren het kan interageren met gewone materie, behalve door zwaartekracht.

Om deze en andere kosmische vragen te helpen beantwoorden, Er worden over de hele wereld experimenten uitgevoerd om de interacties tussen deeltjes op nieuwe schalen en energieën te onderzoeken, en supercomputers worden gebruikt om zeldzame of theoretische interacties te simuleren. Door de interacties van eenvoudige kernen te modelleren, natuurkundigen kunnen begrijpen wat voor soort experimenten ze moeten bouwen en wat ze van experimentele gegevens mogen verwachten.

Op Titaan, Het team van Detmold gebruikte complexe lattice quantum chromodynamics (QCD) berekeningen om de reactiesnelheid - de waarschijnlijkheid dat kernfusie of verval zal optreden - van proton-protonfusie en een belangrijk deel van de theoretische snelheid van neutrinoloos dubbel bètaverval te voorspellen.

"We laten zien dat je de gebonden toestanden van kernen kunt zien met behulp van kwantumchromodynamica, "Zei Detmold. "Vanaf daar, we berekenen de eenvoudigste nucleaire processen die plaatsvinden."

Ruimte-tijd modelleren

Kernfusie van waterstof - het lichtste element dat alleen uit een proton en een elektron bestaat - zorgt voor miljoenen tot miljarden jaren voor sterren. Het team van Detmold heeft de proton-protonfusie-dwarsdoorsnede op supercomputers berekend omdat deze interactie een cruciale rol speelt bij de productie van zonne-energie.

"We kunnen proton-protonfusie niet zo goed onderzoeken, "Zei Detmold. "Zelfs als je een protondoel neemt en het bestraalt met een bundel protonen, de protonen zullen gewoon verstrooien, niet zekeren, dus dit fusieproces is zeer zeldzaam in het laboratorium."

In dit proces, twee protonen overwinnen hun elektromagnetische afstoting tussen gelijke ladingen en interageren via het korte bereik, subatomaire kracht die bekend staat als de zwakke kracht.

Lattice QCD-berekeningen geven weer hoe de fundamentele deeltjes waaruit protonen bestaan ​​- quarks en gluonen - op elkaar inwerken in het ruimte-tijdvolume waarin proton-protonfusie plaatsvindt. Quarks zijn de kleinste bekende bestanddelen van materie, en gluonen zijn de krachtdragende deeltjes die ze binden. Genoemd naar het 4-D-raster (het rooster) dat ruimte-tijd en de unieke "kleurlading" (chromo) vertegenwoordigt, die verwijst naar hoe quarks en gluonen combineren in plaats van naar werkelijke kleuren, rooster QCD-berekeningen zijn intensieve berekeningen waarvoor supercomputerkracht nodig is.

Efficiënt gebruikmakend van de GPU-versnelde architectuur van Titan, Het team van Detmold gebruikte de Chroma-rooster QCD-bibliotheek (voornamelijk ontwikkeld door Robert Edwards en Balint Joò van Thomas Jefferson National Accelerator Facility) met een nieuw algoritme om zwakke interacties op te nemen die belangrijk zijn voor proton-protonfusie en QUDA, een rooster QCD-bibliotheek voor GPU's (voornamelijk ontwikkeld door Kate Clark van NVIDIA). De berekeningen genereerden meer dan 1, 000 snapshots van het 4-D-raster met 10 miljoen rekenpunten per snapshot.

"Dit zijn de eerste QCD-berekeningen van de proton-protonfusiesnelheid, ', aldus Detmol.

Onderzoekers gebruikten dezelfde rooster-QCD-algoritmen om een ​​ander zwak interactieproces te berekenen, tritium beta-verval, die experimenteel is bestudeerd en werd gebruikt om de berekeningen te verifiëren.

De zoekopdracht verfijnen

Onderzoekers berekenden ook subprocessen die bijdragen aan dubbele bètavervalsnelheden, inclusief theoretische snelheden voor neutrinoloos dubbel bètaverval.

Een zeldzame deeltjesgebeurtenis, dubbel bètaverval werd voor het eerst voorspeld in 1935, maar werd pas in de jaren tachtig in experimenten waargenomen. Dit type verval kan van nature optreden wanneer twee neutronen in twee protonen in een kern vervallen, daarbij twee elektronen en twee neutrino's uitzenden. Hoewel zeldzaam, dubbel bètaverval treedt op in sommige isotopen van zware elementen als een manier voor de kern om het aantal protonen en neutronen te stabiliseren.

Neutrinoloos dubbel bètaverval, ook meer dan een halve eeuw geleden voorspeld, is nooit waargenomen. Echter, dit potentiële proces heeft de afgelopen jaren veel meer betekenis gekregen sinds natuurkundigen ontdekten dat neutrino's een kleine massa hebben. Omdat het neutrino een neutrale lading heeft, het is theoretisch mogelijk dat het zijn eigen antideeltje is - een deeltje met dezelfde massa maar tegengestelde lading. Antideeltjes bestaan ​​in de natuur en zijn gecreëerd en waargenomen in experimenten, maar materiedeeltjes zijn veel dominanter van aard.

Een deeltje dat zijn eigen antideeltje is, bekend als een Majorana-deeltje, zou kunnen helpen bij het verklaren van het mechanisme waardoor materie voorrang kreeg op antimaterie in het universum, dat is een van de grote openstaande vragen in de kosmologie.

Veel experimenten over de hele wereld proberen neutrinoloos dubbel bètaverval waar te nemen, wat het bestaan ​​van een Majorana-neutrino zou bevestigen. Een dergelijke ontdekking zou Voor de eerste keer, bieden een ondubbelzinnige handtekening van de schending van het behoud van het leptongetal - het principe dat het evenwicht beschrijft tussen bepaalde soorten materiedeeltjes en hun antideeltjes.

Experimenten zoals de MAJORANA-demonstrator in de Sanford Underground Research Facility koelen zware elementen in ondergrondse laboratoria af tot temperaturen die kouder zijn dan de lege ruimte. Op hun afgelegen locaties met zware afscherming, neutrinodetectoren zoals de MAJORANA Demonstrator stellen wetenschappers in staat hun zoektocht naar zeldzame neutrino-interacties te verfijnen.

Omdat neutrinoloos dubbel bètaverval theoretisch is en, als het echt is, nog steeds zeer zeldzaam, onderzoekers moeten uiterst verfijnde voorspellingen doen van de reactiesnelheid. Hoe kleiner de reactiesnelheid, hoe kleiner de kans dat experimenten het proces kunnen vastleggen en hoe groter de experimentele detector moet zijn. De Titan-berekeningen helpen onderzoekers potentiële vervalsnelheden te begrijpen.

"Uiteindelijk, wat we proberen te bepalen is hoe waarschijnlijk het is dat een experiment van een bepaalde grootte dit proces zal kunnen zien, dus we moeten de reactiesnelheid weten, ', aldus Detmol.

De huidige neutrino-experimenten zijn op pilootschaal, met behulp van tientallen kilogrammen van een medium met een zwaar element (germaniumkristallen in het geval van MAJORANA). Toekomstige detectoren kunnen op grote schaal worden gebouwd, en het is belangrijk om te weten dat zo'n experiment gevoelig genoeg zou zijn om neutrinoloos dubbel bètaverval te zien als het bestaat.

De berekeningen van het team van dubbel bètaverval op Titan bieden het soort theoretische ondersteuning dat experimentatoren nodig hebben om experimenten te ontwikkelen en gegevens te analyseren.

Maar proton-protonfusie en neutrinoloos dubbel bètaverval zijn slechts twee van de vele nucleaire processen die poorten kunnen zijn naar nieuwe ontdekkingen in de natuurkunde.

Met systemen van de volgende generatie, zoals de Summit-supercomputer van OLCF, die later dit jaar online komt, deze berekeningen zullen naar een nieuw niveau van nauwkeurigheid worden gebracht, en onderzoekers kunnen beginnen met het bestuderen van het verval en de interacties van complexere kernen.

"Nu we hebben aangetoond dat we deze paar nucleonprocessen kunnen beheersen, we kunnen beginnen met het berekenen van meer gecompliceerde processen, ', aldus Detmol.