Los físicos nucleares están utilizando la supercomputadora más poderosa del país, Titán, en Oak Ridge Leadership Computing Facility para estudiar las interacciones de partículas importantes para la producción de energía en el sol y las estrellas y para impulsar la búsqueda de nuevos descubrimientos físicos.

Los cálculos directos de estos procesos nucleares pueden aportar información nueva y fundamental a los campos de la física de altas energías, ciencia nuclear, y astrofísica, incluyendo cómo se formó la materia en el universo temprano y su relación con la materia oscura y la estructura a gran escala del universo.

El equipo de investigación que utiliza Titán, incluido el investigador principal William Detmold del Instituto de Tecnología de Massachusetts, está calculando la fusión protón-protón, un proceso que impulsa al sol y a otras estrellas en el que dos protones se fusionan para formar un deuterón, y la desintegración beta doble, un proceso poco común que ocurre cuando un núcleo inestable se desintegra emitiendo dos electrones con o sin neutrinos (partículas subatómicas con masa cercana a cero).

Aunque en el experimento se ha observado la desintegración beta doble con neutrinos, el equipo se centra en la desintegración beta doble sin neutrinos, un tipo de desintegración beta doble predicha por la teoría en la que no se emiten neutrinos, solo electrones. Sin embargo, para ser observado este proceso sin neutrinos es de gran interés para los físicos porque podría conducir a nuevos descubrimientos más allá del modelo actual de física de partículas conocido como Modelo Estándar.

El modelo estándar, una descripción de todas las partículas subatómicas conocidas y las fuerzas fundamentales del universo, excepto la gravedad, se ha mantenido en experimentos una y otra vez. Sin embargo, el Modelo Estándar no está completo porque no puede explicar completamente lo que los científicos observan a escala cósmica.

Basado en observaciones de galaxias, supernova, y otros fenómenos, Los investigadores estiman que el universo consta de muy poca materia ordinaria (solo alrededor del 5 por ciento) y en su mayoría es materia oscura invisible que ejerce una atracción gravitacional sobre la materia ordinaria (alrededor del 25 por ciento) y la energía oscura (alrededor del 70 por ciento). Sin embargo, los científicos no saben qué constituye la materia oscura o de qué forma puede interactuar con la materia ordinaria, además de gravitacionalmente.

Para ayudar a responder estas y otras preguntas cósmicas, se están construyendo experimentos en todo el mundo para sondear las interacciones de las partículas a nuevas escalas y energías, y se están utilizando supercomputadoras para simular interacciones raras o teóricas. Modelando las interacciones de núcleos simples, Los físicos pueden comprender el tipo de experimentos que necesitan construir y lo que pueden esperar de los datos experimentales.

En titán El equipo de Detmold utilizó cálculos complejos de cromodinámica cuántica de celosía (QCD) para predecir la velocidad de reacción (la probabilidad de que ocurra la fusión o desintegración nuclear) de la fusión protón-protón y una parte importante de la velocidad teórica de desintegración beta doble sin neutrinos.

"Estamos demostrando que se pueden ver los estados ligados de los núcleos mediante la cromodinámica cuántica, "Dijo Detmold." A partir de ahí, estamos calculando los procesos nucleares más simples que ocurren ".

Modelado del espacio-tiempo

La fusión nuclear de hidrógeno, el elemento más ligero que consta solo de un protón y un electrón, alimenta las estrellas durante millones a miles de millones de años. El equipo de Detmold calculó la sección transversal de la fusión protón-protón en supercomputadoras porque esta interacción juega un papel fundamental en la producción de energía solar.

"No podemos sondear experimentalmente la fusión protón-protón tan bien, "Dijo Detmold." Incluso si tomas un objetivo de protones y lo irradias con un haz de protones, los protones simplemente se dispersarán, no fusionar, por lo que este proceso de fusión es muy raro en el laboratorio ".

En este proceso, dos protones superan su repulsión electromagnética entre cargas similares e interactúan a través del corto alcance, fuerza subatómica conocida como fuerza débil.

Los cálculos de QCD de celosía representan cómo las partículas fundamentales que forman los protones (quarks y gluones) interactúan en el volumen de espacio-tiempo en el que se produce la fusión protón-protón. Los quarks son los componentes más pequeños conocidos de la materia, y los gluones son las partículas portadoras de fuerza que los unen. Llamado así por la cuadrícula 4-D (la red) que representa el espacio-tiempo y la "carga de color" única (cromo), que se refiere a cómo se combinan los quarks y gluones en lugar de los colores reales, Los cálculos de celosía QCD son cálculos intensivos que pueden requerir potencia de supercomputación.

Usando eficientemente la arquitectura acelerada por GPU de Titan, El equipo de Detmold utilizó la biblioteca Chroma lattice QCD (desarrollada principalmente por Robert Edwards y Balint Joò de Thomas Jefferson National Accelerator Facility) con un nuevo algoritmo para incluir interacciones débiles importantes para la fusión protón-protón y QUDA, una biblioteca QCD de celosía para GPU (desarrollada principalmente por Kate Clark de NVIDIA). Los cálculos generaron más de 1, 000 instantáneas del enrejado 4-D con 10 millones de puntos de cálculo por instantánea.

"Estos son los primeros cálculos de QCD de la tasa de fusión protón-protón, "Dijo Detmold.

Los investigadores utilizaron los mismos algoritmos QCD de celosía para calcular otro proceso de interacción débil, desintegración beta del tritio, que se ha estudiado experimentalmente y se utilizó para verificar los cálculos.

Limitando la búsqueda

Los investigadores también calcularon subprocesos que contribuyen a la doble tasa de desintegración beta, incluidas las tasas teóricas de desintegración beta doble sin neutrinos.

Un evento de partículas raras, La desintegración beta doble se predijo por primera vez en 1935, pero no se observó en experimentos hasta la década de 1980. Este tipo de desintegración puede ocurrir naturalmente cuando dos neutrones se desintegran en dos protones dentro de un núcleo, emitiendo dos electrones y dos neutrinos en el proceso. Aunque es raro, La desintegración beta doble ocurre en algunos isótopos de elementos pesados ​​como una forma en que el núcleo estabiliza su número de protones y neutrones.

Desintegración beta doble sin neutrinos, también se predijo hace más de medio siglo, nunca se ha observado. Sin embargo, este proceso potencial ha ganado mucha más importancia en los últimos años desde que los físicos descubrieron que los neutrinos tienen una masa pequeña. Debido a que el neutrino tiene una carga neutra, teóricamente es posible que sea su propia antipartícula, una partícula de la misma masa pero con carga opuesta. Las antipartículas existen en la naturaleza y se han creado y observado en experimentos, pero las partículas de materia son mucho más dominantes en la naturaleza.

Una partícula que es su propia antipartícula, conocida como partícula de Majorana, podría ayudar a explicar el mecanismo por el cual la materia tiene prioridad sobre la antimateria en el universo, que es una de las grandes cuestiones pendientes en cosmología.

Muchos experimentos en todo el mundo están tratando de observar la desintegración beta doble sin neutrinos, lo que confirmaría la existencia de un neutrino Majorana. Tal descubrimiento por primera vez, proporcionan una firma inequívoca de la violación de la conservación del número de leptones, el principio que describe el equilibrio entre ciertos tipos de partículas de materia y sus antipartículas.

Experimentos como el MAJORANA Demonstrator en la instalación de investigación subterránea de Sanford enfrían elementos pesados ​​en laboratorios subterráneos a temperaturas más frías que el espacio vacío. En sus lugares remotos con blindaje pesado, Los detectores de neutrinos como el MAJORANA Demonstrator permiten a los científicos limitar su búsqueda de interacciones raras de neutrinos.

Debido a que la desintegración beta doble sin neutrinos es teórica y, si es real, todavía muy raro, los investigadores deben hacer predicciones extremadamente refinadas de su velocidad de reacción. Cuanto menor sea la velocidad de reacción, los experimentos menos probables podrán capturar el proceso y más grande debe ser el detector experimental. Los cálculos de Titán ayudan a los investigadores a comprender las posibles tasas de descomposición.

"Por último, lo que estamos tratando de determinar es la probabilidad de que un experimento de un tamaño determinado pueda ver este proceso, así que necesitamos saber la velocidad de reacción, "Dijo Detmold.

Los experimentos actuales con neutrinos son a escala piloto, utilizando decenas de kilogramos de un medio de elemento pesado (cristales de germanio en el caso de MAJORANA). Los futuros detectores podrían construirse a escala de toneladas, y es importante saber que tal experimento sería lo suficientemente sensible como para ver la desintegración beta doble sin neutrinos si existe.

Los cálculos del equipo de la desintegración beta doble en Titán proporcionan el tipo de apoyo teórico que los experimentadores necesitan para desarrollar experimentos y analizar datos.

Pero la fusión protón-protón y la desintegración beta doble sin neutrinos son solo dos procesos nucleares de muchos que pueden ser puertas de entrada a nuevos descubrimientos en física.

Con sistemas de próxima generación como el superordenador Summit de OLCF, que estará en línea a finales de este año, estos cálculos se llevarán a un nuevo nivel de precisión, y los investigadores pueden comenzar a estudiar las desintegraciones e interacciones de núcleos más complejos.

"Ahora que hemos demostrado que podemos controlar estos pocos procesos de nucleones, podemos empezar a calcular procesos más complicados, "Dijo Detmold.