La fusión de dos protones inicia el ciclo nuclear primario que alimenta al Sol. La tasa de esta baja energía, La fusión de interacción débil es demasiado pequeña para medirla en el laboratorio. Si bien las predicciones del modelo nuclear para esta reacción son impresionantes, los cálculos sin modelos reducirían las incertidumbres y ofrecerían una visión más precisa de la fusión protón-protón y los procesos relacionados. Usando una técnica llamada cromodinámica cuántica de celosía, Los científicos realizaron el primer cálculo exitoso, independiente del modelo, de la tasa de fusión protón-protón directamente a partir de la dinámica fundamental de los quarks y gluones (los componentes básicos de los protones y los núcleos).

Este trabajo allana el camino para calcular la tasa de fusión protón-protón, y reacciones nucleares similares de importancia astrofísica, con nuevos niveles de precisión.

La Física Nuclear con la Colaboración de Cromodinámica Cuántica Lattice (NPLQCD), bajo el paraguas de la Colaboración de Cromodinámica Cuántica de EE. UU., realizó el primer cálculo independiente del modelo de la tasa de fusión protón-protón directamente a partir de la dinámica de quarks y gluones utilizando técnicas numéricas. La tasa de este proceso es demasiado pequeña para ser medida en el laboratorio hoy en día por dos razones:la repulsión electrostática entre los protones de baja energía y las pequeñas tasas de interacción débiles. El equipo logró la predicción teórica para este proceso a través de cálculos en los que se eliminó la repulsión electrostática y se aumentaron las tasas de interacción débil para proporcionar acceso a los elementos críticos del proceso.

Luego se restauraron utilizando aproximaciones sistemáticas a la teoría física subyacente (técnicas efectivas de teoría de campo) al hacer la predicción de la velocidad de reacción. El primer cálculo de la cromodinámica cuántica de celosía de la fuerza de la transición débil entre el tritón y el helio-3 (que llevan información significativa de las interacciones de espín en el medio nuclear) también se realizó en este trabajo y se encontró que era consistente con las mediciones experimentales. Estos cálculos utilizaron cromodinámica cuántica de celosía, una técnica en la que el espacio-tiempo está representado por una cuadrícula finita de puntos, y los campos cuánticos que describen los quarks y gluones se definen en estos puntos y los vínculos entre ellos, respectivamente. Este método proporciona una evaluación de la integral de trayectoria de la cromodinámica cuántica, a través del muestreo de Monte Carlo del movimiento mecánico cuántico de los quarks y gluones (las partículas subatómicas que unen a los quarks).

Este método está completamente controlado y se puede mejorar y perfeccionar sistemáticamente reduciendo la distancia física entre los puntos de la cuadrícula. aumentando el volumen del espacio-tiempo, y aumentando el muestreo de la integral de trayectoria. Este trabajo utilizó configuraciones ("instantáneas" del vacío mecánico-cuántico) generadas con el paquete de software Chroma desarrollado dentro del Descubrimiento Científico del DOE a través de la Colaboración de Cromodinámica Cuántica de EE. UU. Financiada por Computación Avanzada. Algoritmos y códigos existentes para formar funciones de correlación nuclear en cálculos de cromodinámica cuántica de celosía y nuevos algoritmos, incluidas las interacciones de quarks con sondas externas, desarrollado dentro de NPLQCD, se utilizaron para calcular las cantidades clave que determinan la tasa de fusión protón-protón.

Los resultados de estos cálculos se conectaron con la naturaleza utilizando técnicas efectivas de teoría de campo. Para hacer esta conexión se utilizó la comprensión obtenida en los cálculos de NPLQCD del proceso de captura de neutrones térmicos n + p → d + γ. Con mayores recursos computacionales, Estos cálculos se pueden refinar sistemáticamente para proporcionar una incertidumbre en la tasa de fusión protón-protón, y reacciones nucleares similares, que es significativamente más pequeño de lo que es posible con otras técnicas. Este avance fue posible gracias a desarrollos algorítmicos y recursos de supercomputación de alto rendimiento.