La fusion de deux protons initie le cycle nucléaire primaire qui alimente le Soleil. Le taux de cette basse énergie, la fusion d'interaction faible est trop petite pour être mesurée en laboratoire. Alors que les prédictions du modèle nucléaire pour cette réaction sont impressionnantes, des calculs sans modèles réduiraient les incertitudes et offriraient une vision plus précise de la fusion proton-proton et des processus associés. En utilisant une technique appelée chromodynamique quantique sur réseau, les scientifiques ont effectué avec succès le premier calcul indépendant du modèle du taux de fusion proton-proton directement à partir de la dynamique fondamentale des quarks et des gluons (les éléments constitutifs des protons et des noyaux).

Ce travail ouvre la voie au calcul du taux de fusion proton-proton, et réactions nucléaires similaires d'importance astrophysique, avec de nouveaux niveaux de précision.

La collaboration de physique nucléaire avec la chromodynamique quantique sur réseau (NPLQCD), sous l'égide de la U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, a effectué le premier calcul indépendant du modèle du taux de fusion proton-proton directement à partir de la dynamique des quarks et des gluons à l'aide de techniques numériques. Le taux de ce processus est trop faible pour être mesuré en laboratoire aujourd'hui pour deux raisons :la répulsion électrostatique entre les protons de basse énergie et les faibles taux d'interaction faible. L'équipe a réalisé la prédiction théorique de ce processus grâce à des calculs dans lesquels la répulsion électrostatique a été supprimée et les faibles taux d'interaction ont été augmentés pour donner accès aux éléments critiques du processus.

Ceux-ci ont ensuite été restaurés à l'aide d'approximations systématiques de la théorie physique sous-jacente (techniques de théorie des champs efficaces) pour faire la prédiction de la vitesse de réaction. Le premier calcul de chromodynamique quantique sur réseau de la force de la transition faible entre le triton et l'hélium-3 (qui portent des informations importantes sur les interactions de spin en milieu nucléaire) a également été effectué dans ce travail et s'est avéré cohérent avec les mesures expérimentales. Ces calculs ont utilisé la chromodynamique quantique sur réseau, une technique dans laquelle l'espace-temps est représenté par une grille finie de points, et les champs quantiques décrivant les quarks et les gluons sont définis sur ces points et les liens entre eux, respectivement. Cette méthode fournit une évaluation de l'intégrale du chemin de la chromodynamique quantique, par échantillonnage Monte Carlo du mouvement de mécanique quantique des quarks et des gluons (les particules subatomiques qui lient les quarks entre eux).

Cette méthode est totalement maîtrisée et peut être systématiquement améliorée et affinée en réduisant la distance physique entre les points de la grille, en augmentant le volume de l'espace-temps, et en augmentant l'échantillonnage de l'intégrale de chemin. Ce travail a utilisé des configurations (« instantanés » du vide de la mécanique quantique) générées à l'aide de la suite logicielle Chroma développée dans le cadre de la découverte scientifique du DOE via la collaboration américaine sur la chromodynamique quantique financée par Advanced Computing. Algorithmes et code existants pour former des fonctions de corrélation nucléaire dans les calculs de chromodynamique quantique sur réseau et nouveaux algorithmes incluant les interactions des quarks avec des sondes externes, développé au sein du NPLQCD, ont été utilisées pour calculer les grandeurs clés qui déterminent le taux de fusion proton-proton.

Les résultats de ces calculs ont été reliés à la nature en utilisant des techniques efficaces de théorie des champs. La compréhension acquise dans les calculs du NPLQCD du processus de capture de neutrons thermiques n+p→d+γ a été utilisée pour établir cette connexion. Avec des ressources de calcul accrues, ces calculs peuvent être systématiquement affinés pour fournir une incertitude sur le taux de fusion proton-proton, et réactions nucléaires similaires, ce qui est nettement plus petit que ce qui est possible avec d'autres techniques. Cette percée a été rendue possible par des développements algorithmiques et des ressources de calcul intensif hautes performances.