El Big Bang inició la formación y organización de la materia que nos constituye a nosotros mismos y a nuestro mundo. Casi 14 mil millones de años después, Los físicos nucleares del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía y sus socios están utilizando las supercomputadoras más poderosas de Estados Unidos para caracterizar el comportamiento de los objetos. de neutrones subatómicos a estrellas de neutrones, que difieren dramáticamente en tamaño pero que están estrechamente conectados por la física.

A través del programa de Descubrimiento Científico a través de Computación Avanzada (SciDAC) de la Oficina de Ciencias del DOE, que al mismo tiempo avanza la ciencia y la supercomputación para acelerar el descubrimiento, ORNL participa en dos proyectos de física nuclear computacional de cinco años.

Colaboradores en el primer proyecto, la Iniciativa Nuclear Computacional de Baja Energía (NUCLEI), calculará propiedades y reacciones de diversos núcleos atómicos que son importantes en experimentos terrestres y ambientes astrofísicos. Aproximadamente 30 investigadores de 12 laboratorios y universidades nacionales están programados para compartir fondos de $ 10 millones. Joseph Carlson del Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) dirige NUCLEI, con Stefan Wild del Laboratorio Nacional Argonne como codirector de matemáticas aplicadas e informática y Thomas Papenbrock de la Universidad de Tennessee, Knoxville (UTK) y ORNL como codirector de física.

El segundo proyecto, Hacia la astrofísica a exaescala de fusiones y supernovas (EQUIPOS), socios 32 investigadores de 12 laboratorios y universidades nacionales. Con un apoyo planificado de $ 7,25 millones, los trabajadores simularán explosiones de supernovas y fusiones de estrellas de neutrones que crean elementos atómicos más pesados ​​que el hierro y predecirán las firmas de estos cataclismos, como las ondas gravitacionales. Raph Hix de ORNL encabeza EQUIPOS, con Bronson Messer de ORNL como líder computacional y Chris Fryer de LANL como líder científico.

"Hay una buena sinergia:NUCLEI está haciendo física nuclear pura y TEAMS está, en un sentido, haciendo física nuclear aplicada, "dijo Hix, un astrofísico nuclear. "Necesitamos su física nuclear para hacer nuestra astrofísica".

Los socios de NUCLEI calcularán la estructura, reacciones, interacciones y desintegraciones de núcleos estables y radiactivos (elementos que se desintegran a estados más estables) para compararlos con los resultados de los experimentos en las instalaciones del DOE, como la Instalación para haces de isótopos raros (FRIB), en construcción en la Universidad Estatal de Michigan. Debido a que los astrofísicos necesitan información de alta calidad sobre cómo se comportan realmente los núcleos, La información de NUCLEI y de experimentos se utilizará en simulaciones de TEAMS que exploran cómo se crean los núcleos en las condiciones extremas de las estrellas moribundas.

Para ambos proyectos SciDAC, expertos en ciencia e informática partirán de modelos de última generación, técnicas numéricas y computadoras de alto rendimiento de clase dirigente, como Titán, El superordenador caballo de batalla actual de ORNL, o cumbre, próximamente en 2018.

Calcular núcleos clave

¿Cómo une la fuerza fuerte a los protones y neutrones en los núcleos? ¿Cómo capturan neutrones los núcleos atómicos ligeros para crear elementos más pesados ​​en las estrellas? ¿Cuál es la naturaleza del neutrino? que juega un papel crucial en la desintegración radiactiva y las explosiones de supernovas?

Estas son algunas de las preguntas que los investigadores de NUCLEI explorarán utilizando matemáticas aplicadas avanzadas, informática y física para describir núcleos atómicos. Los cálculos son computacionalmente costosos. "Con 100 o más partículas, las soluciones exactas se volvieron exponencialmente costosas, "Dijo Papenbrock." Los nuevos métodos permiten un rendimiento eficiente en las supercomputadoras más rápidas ".

La contribución fundamental de ORNL a la comunidad científica de NUCLEI es el método de clústeres acoplados, un eficiente, expansión sistemática de la función de onda nuclear con un costo computacional modesto. Su solución proporciona información detallada sobre la estructura y la desintegración de los núcleos atómicos y las interacciones nucleares. Liderazgo de ORNL para la colaboración NUCLEI, Gaute Hagen, también lidera el desarrollo de un código insignia NUCCOR (Nuclear Coupled Cluster Oak Ridge). NUCCOR ofrece un compromiso entre alta precisión y costo de computadora asequible.

En ORNL, Hagen, Gustav R. Jansen y George Fann calcularán las propiedades de los núcleos y sus desintegraciones. En UTK, un becario postdoctoral trabajará con Papenbrock en el proyecto. Los socios de NUCLEI en otras instituciones traerán sus propios códigos, Métodos computacionales, y experiencia para el proyecto. "Los núcleos atómicos exhiben propiedades muy diferentes a medida que se pasa del núcleo más ligero con un solo nucleón, un protón, al más pesado, que consta de unos 240 nucleones [protones o neutrones], "Papenbrock explicó." En esta colaboración, tenemos métodos complementarios que son buenos para diferentes núcleos ".

Hagen dijo:"En Oak Ridge desarrollamos métodos de primeros principios que pueden describir núcleos pesados ​​y de masa media a partir de las interacciones subyacentes entre nucleones. Este es un progreso notable en el campo. Hace una década estábamos calculando la estructura del oxígeno-16, el oxigeno que respiramos, que [tiene] 16 nucleones. Hoy acabamos de enviar un artículo sobre Tin-100, que tiene 100 nucleones ".

Los investigadores de NUCLEI calcularán las propiedades de los isótopos clave, como calcio-60, que tiene 20 protones y 40 neutrones, y, por lo tanto, es más exótico que el isótopo estable común en nuestros huesos y dientes, calcio-40 (20 protones, 20 neutrones). "El calcio-60 aún no se ha medido, "Dijo Hagen." No se sabe nada. Ir a esa región, y más allá, sería un gran desafío para la teoría. Pero eventualmente lo lograremos con las herramientas que estamos desarrollando y la potencia informática que estará disponible para nosotros en este período SciDAC ".

El núcleo más grande que los científicos proponen calcular desde cero es el plomo-208. El conocimiento adquirido sobre lo que mantiene unidos sus nucleones podría afectar la comprensión de los elementos superpesados ​​más allá del plomo-208. Es más, los cálculos complementarán los experimentos presentes y pendientes.

Las estrellas en nosotros

"La astrofísica es una aplicación esencialmente multifísica, "dijo Hix, quien lidera el otro proyecto SciDAC en el que participa ORNL, conocido como EQUIPOS. "Hay tantas facetas de la física involucradas; nadie puede ser experto en todas ellas. Así que debemos construir equipos".

Los miembros del proyecto TEAMS mejorarán los modelos de muerte de estrellas masivas, llamadas supernovas de colapso del núcleo, que dispersan elementos químicos por las galaxias, así como modelos de las últimas horas de vida de las estrellas que establecen las condiciones iniciales para el colapso del núcleo de supernovas. También mejorarán los modelos de fusiones de estrellas de neutrones, que crean agujeros negros al mismo tiempo que dispersan elementos recién formados.

Mejorar las simulaciones de TEAMS requerirá una mejor física nuclear microscópica, mejorar nuestra comprensión de los estados de la materia nuclear y sus interacciones con los neutrinos. Los científicos de TEAMS también estudiarán las consecuencias de las explosiones detectables por telescopios y la historia química de nuestra galaxia. proporcionando observaciones que se pueden comparar con simulaciones para validar modelos.

En supernovas de colapso del núcleo, Las estrellas masivas (10 veces la masa de nuestro Sol) forman un núcleo de hierro rodeado por capas de elementos más ligeros, por ejemplo, silicio, oxígeno, carbón, helio, hidrógeno. Finalmente, el núcleo de hierro colapsa para formar una estrella de neutrones, lanzando una onda de choque.

Desde la década de 1960, Los científicos han intentado simular cómo esta onda de choque produce una supernova, comenzando con modelos unidimensionales que asumían que la estrella era esféricamente simétrica. Las simulaciones basadas en esos modelos rara vez resultan en explosiones. Más recientemente, con una mejor comprensión de la física y computadoras más rápidas, los investigadores comenzaron a ejecutar en dos dimensiones, y luego tridimensional, modelos de supernova de colapso del núcleo con física mejorada.

"El comportamiento en dos o tres dimensiones es completamente diferente y se obtiene el desarrollo de grandes regiones convectivas, "Dijo Hix." Es la energía de neutrinos entregada a la onda de choque por los flujos convectivos lo que finalmente enciende la explosión. El resultado es una explosión asimétrica que dispara grandes columnas ".

La fuente de energía que impulsa esta explosión es la estrella de neutrones recién creada, su masa del tamaño del Sol comprimida en apenas 30 kilómetros, liberando una tremenda energía que es arrastrada rápidamente por los neutrinos. Capturar solo una pequeña fracción de los neutrinos que escapan revitaliza la onda de choque, que conduce a la supernova.

El material que la supernova arroja a la galaxia está disponible para producir la próxima generación de estrellas. Elementos:el oxígeno en tu respiración, el hierro en tu sangre, son trazadores tangibles de la evolución química de nuestra galaxia desde el Big Bang. "¡La historia que podrían contar tus átomos!" Exclamó Hix. "Hace miles de millones de años y miles de años luz de distancia, partes de ti han pasado por supernovas, fusiones de estrellas de neutrones y otros eventos exóticos, y podemos probarlo porque llevas todos los elementos e isótopos que se hicieron allí. Hay una tendencia cuando la gente mira al cielo a decir:'Oh, ese es el universo '. Pero el universo también está aquí " él dijo, golpeando su pecho.