Les physiciens nucléaires utilisent le supercalculateur le plus puissant du pays, Titan, à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility pour étudier les interactions des particules importantes pour la production d'énergie dans le soleil et les étoiles et pour propulser la recherche de nouvelles découvertes en physique

Les calculs directs de ces processus nucléaires peuvent apporter des informations nouvelles et fondamentales aux domaines de la physique des hautes énergies, science nucléaire, et l'astrophysique, y compris comment la matière s'est formée dans l'univers primitif et sa relation avec la matière noire et la structure à grande échelle de l'univers.

L'équipe de recherche utilisant Titan, dont le chercheur principal William Detmold du Massachusetts Institute of Technology, calcule la fusion proton-proton - un processus qui alimente le soleil et d'autres étoiles dans lequel deux protons fusionnent pour former un deutéron - et la double désintégration bêta, un processus rare qui se produit lorsqu'un noyau instable se désintègre en émettant deux électrons avec ou sans neutrinos (particules subatomiques de masse proche de zéro).

Bien qu'une double désintégration bêta avec des neutrinos ait été observée expérimentalement, l'équipe se concentre sur la double désintégration bêta sans neutrinos, un type de double désintégration bêta prédit par la théorie dans lequel aucun neutrinos n'est émis, seulement des électrons. Encore à observer, ce processus sans neutrinos est d'un grand intérêt pour les physiciens car il pourrait conduire à de nouvelles découvertes au-delà du modèle actuel de la physique des particules connu sous le nom de modèle standard.

Le modèle standard, une description de toutes les particules subatomiques connues et des forces fondamentales dans l'univers à l'exception de la gravité, a résisté aux expériences maintes et maintes fois. Cependant, le modèle standard n'est pas complet car il ne peut pas expliquer complètement ce que les scientifiques observent à l'échelle cosmique.

Sur la base d'observations de galaxies, supernova, et d'autres phénomènes, les chercheurs estiment que l'univers se compose de très peu de matière ordinaire (seulement environ 5 pour cent) et est principalement de la matière noire invisible qui exerce une attraction gravitationnelle sur la matière ordinaire (environ 25 pour cent) et l'énergie noire (environ 70 pour cent). Pourtant, les scientifiques ne savent pas ce qui compose la matière noire ou de quelles manières elle peut interagir avec la matière ordinaire autrement que par gravitation.

Pour aider à répondre à ces questions et à d'autres cosmiques, des expériences sont construites dans le monde pour sonder les interactions des particules à de nouvelles échelles et énergies, et les superordinateurs sont utilisés pour simuler des interactions rares ou théoriques. En modélisant les interactions de noyaux simples, les physiciens peuvent comprendre le type d'expériences qu'ils doivent construire et ce qu'ils peuvent attendre des données expérimentales.

Sur Titan, L'équipe de Detmold a utilisé des calculs complexes de chromodynamique quantique sur réseau (QCD) pour prédire le taux de réaction - la probabilité qu'une fusion ou une désintégration nucléaire se produise - de la fusion proton-proton et une partie importante du taux théorique de double désintégration bêta sans neutrinos.

"Nous montrons que vous pouvez voir les états liés des noyaux en utilisant la chromodynamique quantique, " Dit Detmold. " A partir de là, nous calculons les processus nucléaires les plus simples qui se produisent."

Modélisation de l'espace-temps

La fusion nucléaire de l'hydrogène, l'élément le plus léger composé uniquement d'un proton et d'un électron, alimente les étoiles pendant des millions voire des milliards d'années. L'équipe de Detmold a calculé la section efficace de fusion proton-proton sur des superordinateurs car cette interaction joue un rôle essentiel dans la production d'énergie solaire.

"Nous ne pouvons pas sonder expérimentalement la fusion proton-proton aussi bien, " a déclaré Detmold. " Même si vous prenez une cible de protons et l'irradiez avec un faisceau de protons, les protons vont juste se disperser, pas fusionner, ce processus de fusion est donc très rare en laboratoire."

Dans ce processus, deux protons surmontent leur répulsion électromagnétique entre des charges similaires et interagissent à courte portée, force subatomique connue sous le nom de force faible.

Les calculs QCD sur réseau représentent la manière dont les particules fondamentales qui composent les protons (quarks et gluons) interagissent dans le volume d'espace-temps dans lequel se produit la fusion proton-proton. Les quarks sont les plus petits constituants connus de la matière, et les gluons sont les particules porteuses de force qui les lient. Nommé pour la grille 4-D (le treillis) qui représente l'espace-temps et la "charge de couleur" unique (chromo), qui fait référence à la façon dont les quarks et les gluons se combinent plutôt qu'aux couleurs réelles, les calculs QCD sur réseau sont des calculs intensifs qui peuvent nécessiter une puissance de supercalcul.

En utilisant efficacement l'architecture accélérée par GPU de Titan, L'équipe de Detmold a utilisé la bibliothèque QCD du réseau Chroma (développée principalement par Robert Edwards et Balint Joò de Thomas Jefferson National Accelerator Facility) avec un nouvel algorithme pour inclure les interactions faibles importantes pour la fusion proton-proton et QUDA, une bibliothèque QCD en treillis pour GPU (développée principalement par Kate Clark de NVIDIA). Les calculs ont généré plus de 1, 000 instantanés du réseau 4-D avec 10 millions de points de calcul par instantané.

"Ce sont les premiers calculs QCD du taux de fusion proton-proton, " a déclaré Detmold.

Les chercheurs ont utilisé les mêmes algorithmes QCD sur réseau pour calculer un autre processus d'interaction faible, désintégration bêta du tritium, qui a été étudié expérimentalement et a été utilisé pour vérifier les calculs.

Affiner la recherche

Les chercheurs ont également calculé des sous-processus qui contribuent au double taux de désintégration bêta, y compris les taux théoriques de double désintégration bêta sans neutrinos.

Un événement particulaire rare, La double désintégration bêta a été prédite pour la première fois en 1935, mais n'a été observée dans les expériences que dans les années 1980. Ce type de désintégration peut se produire naturellement lorsque deux neutrons se désintègrent en deux protons à l'intérieur d'un noyau, émettant deux électrons et deux neutrinos dans le processus. Bien que rare, la double désintégration bêta se produit dans certains isotopes d'éléments lourds pour permettre au noyau de stabiliser son nombre de protons et de neutrons.

Double désintégration bêta sans neutrinos, également prédit il y a plus d'un demi-siècle, n'a jamais été observé. Cependant, ce processus potentiel a pris beaucoup plus d'importance ces dernières années depuis que les physiciens ont découvert que les neutrinos ont une petite masse. Parce que le neutrino a une charge neutre, il est théoriquement possible que ce soit sa propre antiparticule, une particule de même masse mais de charge opposée. Les antiparticules existent dans la nature et ont été créées et observées expérimentalement, mais les particules de matière sont beaucoup plus dominantes dans la nature.

Une particule qui est sa propre antiparticule, connue sous le nom de particule de Majorana, pourrait aider à expliquer le mécanisme par lequel la matière a pris le pas sur l'antimatière dans l'univers, qui est l'une des grandes questions en suspens en cosmologie.

De nombreuses expériences à travers le monde tentent d'observer la double désintégration bêta sans neutrinos, ce qui confirmerait l'existence d'un neutrino de Majorana. Une telle découverte serait, pour la première fois, fournir une signature sans ambiguïté de la violation de la conservation du nombre de leptons - le principe qui décrit l'équilibre entre certains types de particules de matière et leurs antiparticules.

Des expériences telles que le démonstrateur MAJORANA à l'installation de recherche souterraine de Sanford refroidissent les éléments lourds dans les laboratoires souterrains à des températures plus froides que l'espace vide. Dans leurs emplacements éloignés avec un blindage lourd, les détecteurs de neutrinos comme le démonstrateur MAJORANA permettent aux scientifiques d'affiner leur recherche d'interactions de neutrinos rares.

Parce que la double désintégration bêta sans neutrinos est théorique et, si réel, encore très rare, les chercheurs doivent faire des prédictions extrêmement fines de sa vitesse de réaction. Plus la vitesse de réaction est faible, moins les expériences seront susceptibles de capturer le processus et plus le détecteur expérimental devra être gros. Les calculs de Titan aident les chercheurs à comprendre les taux de décomposition potentiels.

"Finalement, ce que nous essayons de déterminer, c'est la probabilité qu'une expérience d'une taille donnée puisse voir ce processus, nous devons donc connaître la vitesse de réaction, " a déclaré Detmold.

Les expériences actuelles sur les neutrinos sont à l'échelle pilote, en utilisant des dizaines de kilogrammes d'un milieu d'éléments lourds (cristaux de germanium dans le cas de MAJORANA). Les futurs détecteurs pourraient être construits à l'échelle de la tonne, et il est important de savoir qu'une telle expérience serait suffisamment sensible pour voir une double désintégration bêta sans neutrinos si elle existe.

Les calculs de l'équipe de la double désintégration bêta sur Titan fournissent le type de support théorique dont les expérimentateurs ont besoin pour développer des expériences et analyser des données.

Mais la fusion proton-proton et la double désintégration bêta sans neutrinos ne sont que deux processus nucléaires parmi tant d'autres qui peuvent ouvrir la voie à de nouvelles découvertes en physique.

Avec des systèmes de nouvelle génération comme le supercalculateur Summit de l'OLCF, qui sera mis en ligne plus tard cette année, ces calculs seront portés à un nouveau niveau de précision, et les chercheurs peuvent commencer à étudier les désintégrations et les interactions de noyaux plus complexes.

"Maintenant que nous avons montré que nous pouvons contrôler ces quelques processus nucléons, nous pouvons commencer à calculer des processus plus compliqués, " a déclaré Detmold.