Heb je je ooit afgevraagd hoe de zon de energie creëert die we er elke dag van krijgen en hoe de andere elementen naast waterstof zich in ons universum hebben gevormd? Misschien weet je dat dit te wijten is aan fusiereacties waarbij vier kernen van waterstof samenkomen om een ​​heliumkern te produceren. Dergelijke nucleosyntheseprocessen zijn alleen mogelijk vanwege het bestaan, in de eerste plaats, van stabiele deuteronen, die bestaan ​​uit een proton en een neutron. dieper peilen, men vindt dat een deuteron uit zes lichte quarks bestaat. interessant, de sterke interactie tussen quarks, die stabiliteit brengt aan deuteronen, maakt ook verschillende andere combinaties van zes quarks mogelijk, wat leidt tot de mogelijke vorming van vele andere deuteron-achtige kernen. Echter, geen dergelijke kernen, hoewel theoretisch vele malen over gespeculeerd en experimenteel gezocht, zijn nog waargenomen.

Dit alles kan veranderen met een opwindende nieuwe bevinding, waar, met behulp van een state-of-the-art eerste-principes berekening van rooster quantum chromodynamica (QCD), de basistheorie van sterke interacties, een definitieve voorspelling van het bestaan ​​van andere deuteron-achtige kernen is gedaan door TIFR-fysici. Met behulp van de computationele faciliteit van het Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), Prof. Nilmani Mathur en postdoctoraal fellow Parikshit Junnarkar van de afdeling Theoretische Fysica hebben een reeks exotische kernen voorspeld, die niet in het periodiek systeem voorkomen. Ook de massa's van deze nieuwe exotische kernen zijn nauwkeurig berekend.

Deze nieuwe subatomaire deeltjes kunnen ofwel gemaakt zijn van zes zware quarks (charm en bottom) of van zware en vreemde quarks. Ze zijn stabiel tegen sterk en elektromagnetisch verval, maar - in tegenstelling tot deuteron - kunnen ze vervallen door zwakke interacties. Verrassend genoeg, het is gebleken dat de stabiliteit van dergelijke kernen toeneemt naarmate ze zwaarder worden. Deze voorspellingen kunnen helpen bij het ontdekken van deze nieuwe subatomaire deeltjes in experimentele faciliteiten.

Dit opent ook de mogelijkheid van het bestaan ​​van vele andere exotische kernen, die kan worden gevormd door de fusie van zware baryonen, vergelijkbaar met de vorming van kernen van elementen in het periodiek systeem. Bij zulke reacties deze deuteron-achtige kernen zouden wel eens dezelfde rol kunnen spelen als deuteron in nucleosynthese. De vorming van deze nieuwe subatomaire deeltjes vergroot ook de mogelijkheid van een quark-niveau analoog van kernfusie zoals onlangs besproken [ Natuur 551, 89 (2017)]. De vorming van sommige van deze toestanden door fusie is zeer exotherm, het vrijgeven van energie tot wel 300 MeV/reactie - een opwindende mogelijkheid voor het creëren van energie op een dag in de toekomst!

Nieuwe subatomaire deeltjes voorspellen, vooral met meer dan drie quarks, door middel van eerste-principes berekeningen vereist een ingewikkelde samensmelting tussen theorie en high-performance computing. Het vereist niet alleen een geavanceerd begrip van de kwantumveldentheoretische problemen, maar de beschikbaarheid van grootschalige computerbronnen is ook cruciaal. In feite worden enkele van de grootste wetenschappelijke computerbronnen ter wereld gebruikt door theoretici van roostermeters, zoals die bij TIFR, die proberen het mysterie van sterke interacties van ons universum op te lossen door middel van hun onderzoek in de femtowereld (d.w.z. binnen een schaal van ongeveer een miljoen miljardste van een meter). Lattice QCD-methoden kunnen ook een cruciale rol spelen bij het begrijpen van materie onder omstandigheden van hoge temperatuur en dichtheid die vergelijkbaar zijn met die in de vroege stadia van het heelal na de oerknal.