Beregning af fysikken, der forbinder nuklear struktur, element dannelse, og stjernernes liv og død

Big Bang begyndte dannelsen og organiseringen af ​​den sag, der udgør os selv og vores verden. Næsten 14 milliarder år senere, kernefysikere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og deres partnere bruger USAs mest kraftfulde supercomputere til at karakterisere objekters adfærd, fra subatomare neutroner til neutronstjerner, der adskiller sig dramatisk i størrelse og alligevel er tæt forbundet af fysik.

Gennem DOE Office of Science's Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) program, som samtidig fremmer videnskab og supercomputing for at fremskynde opdagelse, ORNL deltager i to femårige beregningsmæssige kernefysikprojekter.

Samarbejdspartnere på det første projekt, Nuclear Computational Low Energy Initiative (NUCLEI), vil beregne egenskaber og reaktioner af forskellige atomkerner, der er vigtige i jordiske eksperimenter og astrofysiske miljøer. Cirka 30 forskere ved 12 nationale laboratorier og universiteter er beregnet til at dele finansiering på $10 millioner. Joseph Carlson fra Los Alamos National Laboratory (LANL) leder NUCLEI, med Stefan Wild fra Argonne National Laboratory som meddirektør for anvendt matematik og datalogi og Thomas Papenbrock fra University of Tennessee, Knoxville (UTK) og ORNL som meddirektør for fysik.

Det andet projekt, Mod Exascale Astrophysics of Mergers and Supernovae (TEAMS), partnere 32 forskere fra 12 nationale laboratorier og universiteter. Med planlagt støtte på $7,25 mio. arbejdere vil simulere supernovaeksplosioner og neutronstjernefusioner, der skaber atomare grundstoffer tungere end jern og forudsige signaturer af disse katastrofer, såsom gravitationsbølger. Raph Hix fra ORNL står i spidsen for TEAMS, med Bronson Messer fra ORNL som beregningsleder og Chris Fryer fra LANL som videnskabsleder.

"Der er en god synergi - NUCLEI laver ren kernefysik og TEAMS er, i en vis forstand, laver anvendt kernefysik, " sagde Hix, en nuklear astrofysiker. "Vi har brug for deres kernefysik for at udføre vores astrofysik."

NUCLEI-partnere vil beregne strukturen, reaktioner, interaktioner og henfald af stabile og radioaktive kerner (elementer, der henfalder til mere stabile tilstande) til sammenligning med resultater af eksperimenter på DOE-faciliteter såsom Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), under opførelse ved Michigan State University. Fordi astrofysikere har brug for input af høj kvalitet om, hvordan kerner virkelig opfører sig, information fra NUCLEI og fra eksperimenter vil blive brugt i TEAMS-simuleringer, der udforsker, hvordan kerner skabes under de ekstreme forhold for døende stjerner.

For begge SciDAC-projekter, videnskabs- og computereksperter vil tage udgangspunkt i avancerede modeller, numeriske teknikker og lederskabsklasse højtydende computere, såsom Titan, ORNLs nuværende arbejdshest supercomputer, eller topmøde, kommer i 2018.

Beregning af nøglekerner

Hvordan binder den stærke kraft protoner og neutroner til kerner? Hvordan fanger lette atomkerner neutroner for at skabe tungere grundstoffer i stjerner? Hvad er neutrinoens natur, som spiller afgørende roller i radioaktivt henfald og supernovaeksplosioner?

Dette er nogle spørgsmål, som NUCLEI-forskere vil udforske ved hjælp af avanceret anvendt matematik, datalogi og fysik til at beskrive atomkerner. Beregningerne er beregningsmæssigt dyre. "Med 100 eller flere partikler, eksakte løsninger blev eksponentielt dyre, " sagde Papenbrock. "Nye metoder muliggør effektiv ydeevne på de hurtigste supercomputere."

ORNLs kritiske bidrag til NUCLEIs videnskabelige samfund er koblet-klyngemetoden, en effektiv, systematisk udvidelse af kernebølgefunktionen med en beskeden beregningsomkostning. Dens løsning giver detaljeret indsigt i strukturen og henfaldet af atomkerner og nukleare interaktioner. ORNL's leder for NUCLEI-samarbejdet, Gaute Hagen, leder også udviklingen af ​​en flagskibskode NUCCOR (NUclear Coupled Cluster Oak Ridge). NUCCOR giver et kompromis mellem høj nøjagtighed og overkommelige computeromkostninger.

Hos ORNL, Hagen, Gustav R. Jansen og George Fann vil beregne egenskaber af kerner og deres henfald. På UTK, en postdoc vil arbejde sammen med Papenbrock på projektet. NUCLEIs partnere på andre institutioner vil medbringe deres egne koder, beregningsmetoder, og ekspertise til projektet. "Atomkerner udviser meget forskellige egenskaber, da man går fra den letteste kerne med en enkelt nukleon - en proton - til den tungeste, bestående af omkring 240 nukleoner [protoner eller neutroner], " forklarede Papenbrock. "I dette samarbejde, vi har komplementære metoder, der er gode til forskellige kerner."

Hagen sagde, "Hos Oak Ridge udviklede vi første principmetoder, der kan beskrive medium masse og tunge kerner med udgangspunkt i de underliggende interaktioner mellem nukleoner. Dette er bemærkelsesværdige fremskridt på området. For et årti siden beregnede vi strukturen af ​​oxygen-16, ilten vi indånder, som [har] 16 nukleoner. I dag har vi netop indsendt et papir om tin-100, som har 100 nukleoner."

NUCLEI-forskere vil beregne egenskaber af nøgleisotoper, såsom calcium-60, som har 20 protoner og 40 neutroner, og er derfor mere eksotisk end den almindelige stabile isotop i vores knogler og tænder, calcium-40 (20 protoner, 20 neutroner). "Calcium-60 er ikke blevet målt endnu, " sagde Hagen. "Intet er kendt. At tage til den region – og videre – ville være en stor udfordring for teorien. Men til sidst vil vi nå dertil med de værktøjer, vi er ved at udvikle, og den computerkraft, der vil være tilgængelig for os i denne SciDAC-periode."

Den største kerne, som forskerne foreslår at beregne fra bunden, er bly-208. Viden opnået om, hvad der holder dets nukleoner sammen, kan påvirke forståelsen af ​​supertunge elementer ud over bly-208. I øvrigt, beregningerne vil supplere både nuværende og verserende eksperimenter.

Stjernerne i os selv

"Astrofysik er en hovedsagelig multifysikapplikation, " sagde Hix, som leder det andet SciDAC-projekt, som ORNL deltager i, kendt som TEAM. "Der er så mange facetter af fysik involveret; ingen kan være eksperter i det hele. Så vi skal bygge hold."

Medlemmerne af TEAMS-projektet vil forbedre modeller for massive stjerners død, kaldet kerne-kollaps supernovaer, som spreder kemiske grundstoffer gennem galakserne, samt modeller af de sidste timer af stjernernes liv, der sætter de indledende betingelser for kerne-kollaps supernovaer. De vil også forbedre modeller af fusioner af neutronstjerner, som skaber sorte huller og samtidig spreder nydannede elementer.

Forbedring af TEAMS-simuleringerne vil kræve bedre mikroskopisk kernefysik, forbedre vores forståelse af nukleart stofs tilstande og dets interaktioner med neutrinoer. TEAMS-forskere vil også studere konsekvenserne af eksplosioner, der kan detekteres med teleskoper, og den kemiske historie af vores galakse, at levere observationer, der kan sammenlignes med simuleringer for at validere modeller.

I kerne-kollaps supernovaer, massive stjerner (10 gange vores sols masse) opbygger en jernkerne omgivet af lag af lettere grundstoffer – f.eks. silicium, ilt, kulstof, helium, brint. Til sidst kollapser jernkernen og danner en neutronstjerne, lancerer en chokbølge.

Siden 1960'erne, videnskabsmænd har forsøgt at simulere, hvordan denne chokbølge producerer en supernova, startende med endimensionelle modeller, der antog, at stjernen var sfærisk symmetrisk. Simuleringer baseret på disse modeller resulterede sjældent i eksplosioner. For nylig, med bedre forståelse af fysikken og hurtigere computere, forskere begyndte at køre todimensionelt, og senere tredimensionelle, kerne-kollaps supernova-modeller med forbedret fysik.

"Adfærden i to eller tre dimensioner er helt anderledes, og du får udviklingen af ​​store konvektive regioner, " sagde Hix. "Det er neutrinoenergi, der leveres til chokbølgen af ​​konvektive strømme, der i sidste ende driver eksplosionen op. Resultatet er en asymmetrisk eksplosion, der skyder store fjer ud."

Strømkilden, der driver denne eksplosion, er den nylavede neutronstjerne, dens solstore masse komprimeret til kun 30 kilometer, frigiver enorm energi, der hurtigt bliver båret væk af neutrinoer. Ved at fange kun en lille brøkdel af de undslippende neutrinoer får chokbølgen ny energi, fører til supernovaen.

Materialet, der bliver skudt ud i galaksen af ​​supernovaen, er tilgængeligt til at lave den næste generation af stjerner. Elementer - ilten i din ånde, jernet i dit blod – er håndgribelige spor efter den kemiske udvikling af vores galakse helt tilbage til Big Bang. "Historien dine atomer kunne fortælle!" udbrød Hix. "For milliarder af år siden og tusinder af lysår væk, dele af dig har været igennem supernovaer, neutronstjernefusioner og andre eksotiske begivenheder, og vi kan bevise det, fordi du bærer alle de elementer og isotoper, der blev lavet der. Når folk ser på himlen, er der en tendens til at sige, 'Åh, det er universet.' Men universet er her også, " han sagde, banke på brystet.