Le Big Bang a commencé la formation et l'organisation de la matière qui constitue nous-mêmes et notre monde. Près de 14 milliards d'années plus tard, les physiciens nucléaires du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie et leurs partenaires utilisent les superordinateurs les plus puissants d'Amérique pour caractériser le comportement des objets, des neutrons subatomiques aux étoiles à neutrons, qui diffèrent considérablement en taille mais sont étroitement liés par la physique.

Par le biais du programme SciDAC (Scientific Discovery through Advanced Computing) du DOE Office of Science, qui fait avancer simultanément la science et le calcul intensif pour accélérer la découverte, L'ORNL participe à deux projets de physique nucléaire computationnelle d'une durée de cinq ans.

Collaborateurs sur le premier projet, la Nuclear Computational Low Energy Initiative (NUCLEI), calculera les propriétés et les réactions de divers noyaux atomiques qui sont importants dans les expériences terrestres et les environnements astrophysiques. Environ 30 chercheurs de 12 laboratoires nationaux et universités devraient se partager un financement de 10 millions de dollars. Joseph Carlson du Laboratoire national de Los Alamos (LANL) dirige NUCLEI, avec Stefan Wild du Argonne National Laboratory en tant que co-directeur pour les mathématiques appliquées et l'informatique et Thomas Papenbrock de l'Université du Tennessee, Knoxville (UTK) et ORNL en tant que co-directeur pour la physique.

Le deuxième projet, Vers une astrophysique exascale des fusions et des supernovae (TEAMS), partenaires 32 chercheurs de 12 laboratoires et universités nationales. Avec un soutien prévu de 7,25 millions de dollars, les travailleurs simuleront des explosions de supernovae et des fusions d'étoiles à neutrons qui créent des éléments atomiques plus lourds que le fer et prédisent les signatures de ces cataclysmes, comme les ondes gravitationnelles. Raph Hix de l'ORNL dirige les ÉQUIPES, avec Bronson Messer d'ORNL en tant que responsable informatique et Chris Fryer de LANL en tant que responsable scientifique.

"Il y a une belle synergie - NUCLEI fait de la physique nucléaire pure et TEAMS est, en un sens, faire de la physique nucléaire appliquée, " dit Hix, un astrophysicien nucléaire. "Nous avons besoin de leur physique nucléaire pour faire notre astrophysique."

Les partenaires NUCLEI calculeront la structure, réactions, interactions et désintégrations de noyaux stables et radioactifs (éléments qui se désintègrent vers des états plus stables) pour comparaison avec les résultats d'expériences dans les installations du DOE telles que l'installation pour les faisceaux d'isotopes rares (FRIB), en construction à l'Université d'État du Michigan. Parce que les astrophysiciens ont besoin d'informations de haute qualité sur le comportement réel des noyaux, les informations provenant de NUCLEI et d'expériences seront utilisées dans les simulations TEAMS qui explorent la façon dont les noyaux sont créés dans les conditions extrêmes des étoiles mourantes.

Pour les deux projets SciDAC, les experts scientifiques et informatiques partiront de modèles de pointe, des techniques numériques et des ordinateurs hautes performances de premier ordre, comme Titan, Le supercalculateur actuel de l'ORNL, ou Sommet, à venir en 2018.

Calcul des noyaux clés

Comment la force forte lie-t-elle les protons et les neutrons aux noyaux ? Comment les noyaux atomiques légers capturent-ils les neutrons pour créer des éléments plus lourds dans les étoiles ? Quelle est la nature du neutrino, qui joue un rôle crucial dans la désintégration radioactive et les explosions de supernovae ?

Ce sont quelques questions que les chercheurs de NUCLEI exploreront en utilisant des mathématiques appliquées avancées, l'informatique et la physique pour décrire les noyaux atomiques. Les calculs sont coûteux en temps de calcul. "Avec 100 particules ou plus, les solutions exactes sont devenues exponentiellement coûteuses, " Papenbrock a déclaré. " De nouvelles méthodes permettent des performances efficaces sur les supercalculateurs les plus rapides. "

La contribution essentielle de l'ORNL à la communauté scientifique de NUCLEI est la méthode des clusters couplés, un efficace, expansion systématique de la fonction d'onde nucléaire avec un coût de calcul modeste. Sa solution fournit des informations détaillées sur la structure et la désintégration des noyaux atomiques et des interactions nucléaires. Responsable de l'ORNL pour la collaboration NUCLEI, Gaute Hagen, dirige également le développement d'un code phare NUCCOR (NUclear Coupled Cluster Oak Ridge). NUCCOR offre un compromis entre une haute précision et un coût informatique abordable.

A l'ORNL, Hagen, Gustav R. Jansen et George Fann calculeront les propriétés des noyaux et leurs désintégrations. Chez UTK, un stagiaire postdoctoral travaillera avec Papenbrock sur le projet. Les partenaires de NUCLEI dans d'autres institutions apporteront leurs propres codes, méthodes de calcul, et d'expertise au projet. "Les noyaux atomiques présentent des propriétés très différentes selon que l'on va du noyau le plus léger avec un seul nucléon - un proton - au plus lourd, constitué d'environ 240 nucléons [protons ou neutrons], " expliqua Papenbrock. " Dans cette collaboration, nous avons des méthodes complémentaires qui sont bonnes pour différents noyaux."

Hagen a dit, « À Oak Ridge, nous avons développé des méthodes de principes premiers qui peuvent décrire des noyaux de masse moyenne et lourde à partir des interactions sous-jacentes entre les nucléons. C'est un progrès remarquable dans le domaine. Il y a une décennie, nous calculions la structure de l'oxygène-16, l'oxygène que nous respirons, qui [a] 16 nucléons. Aujourd'hui, nous venons de soumettre un article sur l'étain-100, qui a 100 nucléons."

Les chercheurs du NUCLEI calculeront les propriétés des isotopes clés, comme le calcium-60, qui a 20 protons et 40 neutrons, et est donc plus exotique que l'isotope stable commun dans nos os et nos dents, calcium-40 (20 protons, 20 neutrons). "Le calcium-60 n'a pas encore été mesuré, " dit Hagen. " Rien n'est connu. Aller dans cette région – et au-delà – serait un défi majeur pour la théorie. Mais finalement, nous y arriverons avec les outils que nous développons et la puissance de calcul qui nous sera disponible au cours de cette période SciDAC. »

Le plus gros noyau que les scientifiques proposent de calculer à partir de zéro est le plomb-208. Les connaissances acquises sur ce qui maintient ses nucléons ensemble pourraient avoir un impact sur la compréhension des éléments superlourds au-delà du plomb-208. De plus, les calculs viendront compléter les expériences actuelles et en cours.

Les étoiles en nous

"L'astrophysique est une application par excellence multi-physique, " dit Hix, qui dirige l'autre projet SciDAC auquel participe l'ORNL, connu sous le nom d'ÉQUIPES. "Il y a tellement de facettes de la physique impliquées; personne ne peut être expert dans tout cela. Nous devons donc constituer des équipes."

Les membres du projet TEAMS vont améliorer les modèles de mort d'étoiles massives, appelées supernovae à effondrement central, qui dispersent les éléments chimiques à travers les galaxies, ainsi que des modèles des dernières heures de la vie des étoiles qui définissent les conditions initiales pour les supernovae à effondrement du cœur. Ils permettront également d'améliorer les modèles de fusions d'étoiles à neutrons, qui créent des trous noirs tout en dispersant les éléments nouvellement formés.

L'amélioration des simulations TEAMS nécessitera une meilleure physique nucléaire microscopique, améliorer notre compréhension des états de la matière nucléaire et de ses interactions avec les neutrinos. Les scientifiques de TEAMS étudieront également les conséquences des explosions détectables par les télescopes et l'histoire chimique de notre galaxie, fournir des observations qui peuvent être comparées à des simulations pour valider des modèles.

Dans les supernovae à effondrement central, les étoiles massives (10 fois la masse de notre Soleil) forment un noyau de fer entouré de couches d'éléments plus légers, par exemple, silicium, oxygène, carbone, hélium, hydrogène. Finalement, le noyau de fer s'effondre pour former une étoile à neutrons, lancer une onde de choc.

Depuis les années 1960, les scientifiques ont essayé de simuler comment cette onde de choc produit une supernova, en commençant par des modèles unidimensionnels qui supposaient que l'étoile était à symétrie sphérique. Les simulations basées sur ces modèles ont rarement entraîné des explosions. Plus récemment, avec une meilleure compréhension de la physique et des ordinateurs plus rapides, les chercheurs ont commencé à courir en deux dimensions, et plus tard en trois dimensions, modèles de supernova à effondrement de cœur avec une physique améliorée.

"Le comportement en deux ou trois dimensions est complètement différent et vous obtenez le développement de grandes régions convectives, ", a déclaré Hix. "C'est l'énergie des neutrinos fournie à l'onde de choc par les flux convectifs qui alimente finalement l'explosion. Le résultat est une explosion asymétrique qui projette de gros panaches."

La source d'énergie qui entraîne cette explosion est la nouvelle étoile à neutrons, sa masse de la taille du Soleil comprimée à seulement 30 kilomètres, libérant une énergie énorme qui est emportée rapidement par les neutrinos. Capturer juste une petite fraction des neutrinos qui s'échappent réénergise l'onde de choc, menant à la supernova.

Le matériau qui est projeté dans la galaxie par la supernova est disponible pour fabriquer la prochaine génération d'étoiles. Éléments—l'oxygène dans votre respiration, le fer dans votre sang sont des traceurs tangibles de l'évolution chimique de notre galaxie depuis le Big Bang. "L'histoire que vos atomes pourraient raconter !" s'exclama Hix. "Il y a des milliards d'années et à des milliers d'années-lumière, des parties de vous ont traversé des supernovae, fusions d'étoiles à neutrons et autres événements exotiques, et nous pouvons le prouver parce que vous transportez tous les éléments et isotopes qui y ont été fabriqués. Il y a une tendance quand les gens regardent le ciel à dire, 'Oh, c'est l'univers. Mais l'univers est là aussi, " il a dit, tapant sa poitrine.