Partikelinteraktioner på Titan understøtter søgen efter nye fysikopdagelser

Atomfysikere bruger landets mest kraftfulde supercomputer, Titan, ved Oak Ridge Leadership Computing Facility for at studere partikelinteraktioner, der er vigtige for energiproduktion i solen og stjernerne og for at drive søgen efter nye fysikopdagelser

Direkte beregninger af disse nukleare processer kan bidrage med ny og grundlæggende information til områderne højenergifysik, nuklear videnskab, og astrofysik, herunder hvordan stof blev dannet i det tidlige univers og dets forhold til mørkt stof og universets storskalastruktur.

Forskerholdet bruger Titan, inklusive hovedefterforsker William Detmold fra Massachusetts Institute of Technology, beregner proton-proton-fusion - en proces, der driver solen og andre stjerner, hvor to protoner smelter sammen og danner et deuteron - og dobbelt beta-henfald, en sjælden proces, der opstår, når en ustabil kerne henfalder ved at udsende to elektroner med eller uden neutrinoer (subatomære partikler med næsten nul masse).

Selvom dobbelt beta-henfald med neutrinoer er blevet observeret i eksperimentet, holdet er fokuseret på neutrinoløst dobbelt beta-henfald - en type dobbelt beta-henfald forudsagt af teori, hvor der ikke udsendes neutrinoer, kun elektroner. Endnu skal man observere, denne neutrinoløse proces er af stor interesse for fysikere, fordi den kan føre til nye opdagelser ud over den nuværende model for partikelfysik kendt som standardmodellen.

Standardmodellen, en beskrivelse af alle kendte subatomære partikler og fundamentale kræfter i universet undtagen tyngdekraften, har holdt op i eksperimenter igen og igen. Imidlertid, Standardmodellen er ikke komplet, fordi den ikke fuldt ud kan forklare, hvad videnskabsmænd observerer på kosmisk skala.

Baseret på observationer af galakser, supernova, og andre fænomener, forskere vurderer, at universet består af meget lidt almindeligt stof (kun omkring 5 procent) og for det meste er uset mørkt stof, der udøver en tyngdekraft på almindeligt stof (ca. 25 procent) og mørk energi (ca. 70 procent). Alligevel ved forskerne ikke, hvad mørkt stof består af, eller på hvilke måder det kan interagere med almindeligt stof ud over gravitation.

For at hjælpe med at besvare disse og andre kosmiske spørgsmål, eksperimenter bygges rundt om i verden for at undersøge partikelinteraktioner i nye skalaer og energier, og supercomputere bliver brugt til at simulere sjældne eller teoretiske interaktioner. Ved at modellere vekselvirkningerne mellem simple kerner, fysikere kan forstå den slags eksperimenter, de skal bygge, og hvad de kan forvente af eksperimentelle data.

På Titan, Detmolds team brugte komplekse gitterkvantekromodynamiske beregninger (QCD) til at forudsige reaktionshastigheden - sandsynligheden for, at nuklear fusion eller henfald vil forekomme - af proton-proton-fusion og en vigtig del af den teoretiske hastighed af neutrinoløs dobbelt beta-henfald.

"Vi viser, at du kan se de bundne tilstande af kerner ved hjælp af kvantekromodynamik, sagde Detmold. Derfra, vi beregner de enkleste nukleare processer, der sker."

Modellering af rum-tid

Nuklear fusion af brint - det letteste grundstof, der kun består af en proton og elektron - driver stjerner i millioner til milliarder af år. Detmolds team beregnede proton-protonfusionstværsnittet på supercomputere, fordi denne interaktion spiller en afgørende rolle i solenergiproduktionen.

"Vi kan ikke eksperimentelt undersøge proton-proton-fusion så godt, " sagde Detmold. "Selv hvis du tager et protonmål og bestråler det med en stråle af protoner, protonerne vil bare spredes, ikke sikring, så denne fusionsproces er meget sjælden i laboratoriet."

I denne proces, to protoner overvinder deres elektromagnetiske frastødning mellem ens ladninger og interagerer gennem den korte rækkevidde, subatomisk kraft kendt som den svage kraft.

Gitter QCD-beregninger repræsenterer, hvordan de fundamentale partikler, der udgør protoner - kvarker og gluoner - interagerer i rum-tidens rumfang, hvori proton-proton-fusion forekommer. Kvarker er de mindste kendte bestanddele af stof, og gluoner er de kraftbærende partikler, der binder dem. Opkaldt efter 4-D-gitteret (gitteret), der repræsenterer rum-tid og den unikke "farveladning" (chromo), som refererer til hvordan kvarker og gluoner kombineres snarere end til faktiske farver, gitter QCD-beregninger er intensive beregninger, der kan kræve supercomputerkraft.

Effektivt ved hjælp af Titans GPU-accelererede arkitektur, Detmolds team brugte Chroma lattice QCD-biblioteket (udviklet primært af Robert Edwards og Balint Joò fra Thomas Jefferson National Accelerator Facility) med en ny algoritme til at inkludere svage interaktioner, der er vigtige for proton-protonfusion og QUDA, et gitter QCD-bibliotek til GPU'er (udviklet primært af Kate Clark fra NVIDIA). Beregningerne genererede mere end 1, 000 snapshots af 4-D gitteret med 10 millioner beregningspunkter pr. snapshot.

"Dette er de første QCD-beregninger af proton-proton-fusionshastigheden, " sagde Detmold.

Forskere brugte de samme gitter QCD-algoritmer til at beregne en anden svag interaktionsproces, tritium beta henfald, som er blevet undersøgt eksperimentelt og blev brugt til at verificere beregningerne.

Indsnævring af søgningen

Forskere har også beregnet delprocesser, der bidrager til dobbelt beta-henfaldshastighed, inklusive teoretiske rater for neutrinofri dobbelt beta-henfald.

En sjælden partikelhændelse, dobbelt beta-henfald blev først forudsagt i 1935, men blev først observeret i eksperimenter i 1980'erne. Denne type henfald kan forekomme naturligt, når to neutroner henfalder til to protoner inde i en kerne, udsender to elektroner og to neutrinoer i processen. Selvom det er sjældent, dobbelt beta-henfald forekommer i nogle isotoper af tunge grundstoffer som en måde for kernen at stabilisere sit antal protoner og neutroner.

Neutrinoløst dobbelt beta-henfald, også forudsagt for over et halvt århundrede siden, er aldrig blevet observeret. Imidlertid, denne potentielle proces har fået meget større betydning i de senere år, siden fysikere opdagede, at neutrinoer har en lille masse. Fordi neutrinoen har en neutral ladning, det er teoretisk muligt, at det er sin egen antipartikel - en partikel med samme masse, men modsat ladning. Antipartikler findes i naturen og er blevet skabt og observeret i eksperimenter, men stofpartikler er meget mere dominerende i naturen.

En partikel, der er sin egen antipartikel, kendt som en Majorana partikel, kunne hjælpe med at forklare den mekanisme, hvorved stof fik forrang over antistof i universet, hvilket er et af de store udestående spørgsmål inden for kosmologi.

Mange eksperimenter over hele kloden forsøger at observere neutrinoløst dobbelt beta-henfald, hvilket ville bekræfte eksistensen af ​​en Majorana neutrino. En sådan opdagelse ville for første gang, give en utvetydig signatur på krænkelsen af ​​leptontalsbevarelse - princippet, der beskriver balancen mellem visse typer stofpartikler og deres antipartikler.

Eksperimenter som MAJORANA-demonstratoren ved Sanford Underground Research Facility afkøler tunge elementer i underjordiske laboratorier til temperaturer, der er koldere end tomme rum. På deres fjerntliggende steder med kraftig afskærmning, neutrino-detektorer som MAJORANA Demonstrator gør det muligt for forskere at indsnævre deres søgen efter sjældne neutrino-interaktioner.

Fordi neutrinoløst dobbelt beta-henfald er teoretisk og, hvis det er ægte, stadig meget sjælden, forskere skal lave ekstremt raffinerede forudsigelser af dens reaktionshastighed. Jo mindre reaktionshastigheden er, jo mindre sandsynligt vil eksperimenter være i stand til at fange processen, og jo større skal den eksperimentelle detektor være. Titan-beregningerne hjælper forskere med at forstå potentielle henfaldshastigheder.

"Ultimativt, det, vi forsøger at bestemme, er, hvor sandsynligt et eksperiment af en given størrelse vil være i stand til at se denne proces, så vi skal kende reaktionshastigheden, " sagde Detmold.

Nuværende neutrino-eksperimenter er pilotskala, ved at bruge titusinder af kilogram af et tungt grundstofmedium (germaniumkrystaller i tilfældet MAJORANA). Fremtidige detektorer kunne bygges i ton skala, og det er vigtigt at vide, at et sådant eksperiment ville være følsomt nok til at se neutrinoløst dobbelt beta-henfald, hvis det eksisterer.

Holdets beregninger af dobbelt beta-henfald på Titan giver den slags teoretisk støtte, som eksperimentelister har brug for til at udvikle eksperimenter og analysere data.

Men proton-proton-fusion og neutrinoløst dobbelt beta-henfald er kun to nukleare processer af mange, der kan være porte til nye opdagelser inden for fysik.

Med næste generations systemer som OLCF's Summit supercomputer, som kommer online senere i år, disse beregninger vil blive taget til et nyt niveau af nøjagtighed, og forskere kan begynde at studere henfald og interaktioner mellem mere komplekse kerner.

"Nu hvor vi har vist, at vi kan kontrollere disse få nukleonprocesser, vi kan begynde at beregne mere komplicerede processer, " sagde Detmold.