Il Big Bang ha dato inizio alla formazione e all'organizzazione della materia che costituisce noi stessi e il nostro mondo. Quasi 14 miliardi di anni dopo, i fisici nucleari dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia e i loro partner utilizzano i supercomputer più potenti d'America per caratterizzare il comportamento degli oggetti, dai neutroni subatomici alle stelle di neutroni, che differiscono notevolmente per dimensioni ma sono strettamente collegati dalla fisica.

Attraverso il programma Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) del DOE Office of Science, che contemporaneamente fa avanzare la scienza e il supercalcolo per accelerare la scoperta, L'ORNL sta partecipando a due progetti di fisica nucleare computazionale della durata di cinque anni.

Collaboratori al primo progetto, la Nuclear Computational Low Energy Initiative (NUCLEI), calcolerà proprietà e reazioni di diversi nuclei atomici che sono importanti negli esperimenti terrestri e negli ambienti astrofisici. Si prevede che circa 30 ricercatori di 12 laboratori nazionali e università condivideranno un finanziamento di 10 milioni di dollari. Joseph Carlson del Los Alamos National Laboratory (LANL) dirige NUCLEI, con Stefan Wild dell'Argonne National Laboratory come co-direttore per la matematica applicata e l'informatica e Thomas Papenbrock dell'Università del Tennessee, Knoxville (UTK) e ORNL come co-direttore per la fisica.

Il secondo progetto, Towards Exascale Astrophysics of Mergers and Supernovae (TEAMS), partner 32 ricercatori provenienti da 12 laboratori nazionali e università. Con un supporto pianificato di 7,25 milioni di dollari, i lavoratori simuleranno esplosioni di supernovae e fusioni di stelle di neutroni che creano elementi atomici più pesanti del ferro e predicono le firme di questi cataclismi, come le onde gravitazionali. Raph Hix di ORNL dirige TEAMS, con Bronson Messer di ORNL come responsabile computazionale e Chris Fryer di LANL come responsabile scientifico.

"C'è una bella sinergia:NUCLEI sta facendo pura fisica nucleare e TEAMS è, in un senso, fare fisica nucleare applicata, " disse Hix, un astrofisico nucleare. "Abbiamo bisogno della loro fisica nucleare per fare la nostra astrofisica".

I partner NUCLEI calcoleranno la struttura, reazioni, interazioni e decadimenti di nuclei stabili e radioattivi (elementi che decadono in stati più stabili) per il confronto con i risultati di esperimenti presso strutture DOE come la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), in costruzione presso la Michigan State University. Poiché gli astrofisici hanno bisogno di input di alta qualità su come si comportano realmente i nuclei, le informazioni provenienti da NUCLEI e dagli esperimenti saranno utilizzate nelle simulazioni TEAMS che esplorano come i nuclei vengono creati nelle condizioni estreme delle stelle morenti.

Per entrambi i progetti SciDAC, gli esperti di scienza e informatica partiranno da modelli all'avanguardia, tecniche numeriche e computer ad alte prestazioni di classe dirigente, come Titano, L'attuale supercomputer da lavoro di ORNL, o vertice, in arrivo nel 2018.

Calcolo dei nuclei chiave

In che modo la forza forte lega protoni e neutroni nei nuclei? In che modo i nuclei atomici leggeri catturano i neutroni per creare elementi più pesanti nelle stelle? Qual è la natura del neutrino, che gioca un ruolo cruciale nel decadimento radioattivo e nelle esplosioni di supernovae?

Queste sono alcune domande che i ricercatori NUCLEI esploreranno utilizzando la matematica applicata avanzata, informatica e fisica per descrivere i nuclei atomici. I calcoli sono computazionalmente costosi. "Con 100 o più particelle, le soluzioni esatte diventavano esponenzialmente costose, " Papenbrock ha detto. "Nuovi metodi consentono prestazioni efficienti sui supercomputer più veloci".

Il contributo fondamentale di ORNL alla comunità scientifica di NUCLEI è il metodo a cluster accoppiati, un efficiente, espansione sistematica della funzione d'onda nucleare con un modesto costo computazionale. La sua soluzione fornisce approfondimenti dettagliati sulla struttura e sul decadimento dei nuclei atomici e sulle interazioni nucleari. La guida di ORNL per la collaborazione NUCLEI, Gaute Hagen, guida anche lo sviluppo di un codice di punta NUCCOR (NUclear Coupled Cluster Oak Ridge). NUCCOR fornisce un compromesso tra alta precisione e costo del computer accessibile.

All'ORNL, Hagen, Gustav R. Jansen e George Fann calcoleranno le proprietà dei nuclei e dei loro decadimenti. All'UTK, un borsista post-dottorato lavorerà con Papenbrock al progetto. I partner di NUCLEI presso altre istituzioni porteranno i propri codici, metodi di calcolo, e competenza al progetto. "I nuclei atomici mostrano proprietà molto diverse quando si passa dal nucleo più leggero con un singolo nucleone - un protone - al più pesante, costituito da circa 240 nucleoni [protoni o neutroni], " Ha spiegato Papenbrock. "In questa collaborazione, abbiamo metodi complementari che vanno bene per diversi nuclei".

Hagen ha detto, "A Oak Ridge abbiamo sviluppato metodi di prim'ordine in grado di descrivere nuclei di media massa e pesanti a partire dalle interazioni sottostanti tra i nucleoni. Questo è un notevole progresso nel campo. Un decennio fa stavamo calcolando la struttura dell'ossigeno-16, l'ossigeno che respiriamo, che [ha] 16 nucleoni. Oggi abbiamo appena presentato un documento su stagno-100, che ha 100 nucleoni."

I ricercatori NUCLEI calcoleranno le proprietà degli isotopi chiave, come calcio-60, che ha 20 protoni e 40 neutroni, ed è quindi più esotico del comune isotopo stabile nelle nostre ossa e nei nostri denti, calcio-40 (20 protoni, 20 neutroni). "Il calcio-60 non è stato ancora misurato, " Hagen ha detto. "Non si sa nulla. Andare in quella regione, e oltre, sarebbe una grande sfida per la teoria. Ma alla fine ci arriveremo con gli strumenti che stiamo sviluppando e la potenza di calcolo che sarà disponibile per noi in questo periodo di SciDAC".

Il nucleo più grande che gli scienziati propongono di calcolare da zero è il piombo-208. La conoscenza acquisita su ciò che tiene insieme i suoi nucleoni potrebbe influire sulla comprensione degli elementi superpesanti oltre il piombo-208. Inoltre, i calcoli completeranno gli esperimenti presenti e quelli in attesa.

Le stelle in noi stessi

"L'astrofisica è un'applicazione multifisica per eccellenza, " disse Hix, chi guida l'altro progetto SciDAC a cui partecipa ORNL, noto come SQUADRE. "Ci sono così tanti aspetti della fisica coinvolti; nessuno può essere esperto in tutto. Quindi dobbiamo costruire squadre".

I membri del progetto TEAMS miglioreranno i modelli della morte di stelle massicce, chiamate supernove a collasso del nucleo, che disperdono gli elementi chimici nelle galassie, così come modelli delle ultime ore di vita delle stelle che stabiliscono le condizioni iniziali per le supernove con collasso del nucleo. Miglioreranno anche i modelli delle fusioni di stelle di neutroni, che creano buchi neri disperdendo anche elementi di nuova formazione.

Migliorare le simulazioni TEAMS richiederà una migliore fisica nucleare microscopica, migliorare la nostra comprensione degli stati della materia nucleare e delle sue interazioni con i neutrini. Gli scienziati di TEAMS studieranno anche le conseguenze delle esplosioni rilevabili dai telescopi e la storia chimica della nostra galassia, fornendo osservazioni che possono essere confrontate con simulazioni per validare i modelli.

Nelle supernove a collasso del nucleo, stelle massicce (10 volte la massa del nostro Sole) formano un nucleo di ferro circondato da strati di elementi più leggeri, ad es. silicio, ossigeno, carbonio, elio, idrogeno. Alla fine il nucleo di ferro collassa per formare una stella di neutroni, lanciando un'onda d'urto.

Dagli anni Sessanta, gli scienziati hanno cercato di simulare come questa onda d'urto produce una supernova, partendo da modelli unidimensionali che presumevano che la stella fosse sfericamente simmetrica. Le simulazioni basate su quei modelli raramente hanno provocato esplosioni. Più recentemente, con una migliore comprensione della fisica e computer più veloci, i ricercatori hanno iniziato a eseguire bidimensionali, e poi tridimensionale, modelli di supernova con collasso del nucleo con fisica migliorata.

"Il comportamento in due o tre dimensioni è completamente diverso e si ottiene lo sviluppo di grandi regioni convettive, " Ha detto Hix. "È l'energia del neutrino fornita all'onda d'urto dai flussi convettivi che alla fine alimenta l'esplosione. Il risultato è un'esplosione asimmetrica che spara grandi pennacchi".

La fonte di energia che guida questa esplosione è la nuova stella di neutroni, la sua massa delle dimensioni del Sole compressa in soli 30 chilometri, rilasciando una tremenda energia che viene rapidamente portata via dai neutrini. Catturare solo una piccola frazione dei neutrini in fuga rienergizza l'onda d'urto, che porta alla supernova.

Il materiale che viene espulso nella galassia dalla supernova è disponibile per creare la prossima generazione di stelle. Elementi:l'ossigeno nel tuo respiro, il ferro nel tuo sangue, sono tracce tangibili dell'evoluzione chimica della nostra galassia fino al Big Bang. "La storia che potrebbero raccontare i tuoi atomi!" esclamò Hix. "Miliardi di anni fa e migliaia di anni luce di distanza, parti di te hanno attraversato supernovae, fusioni di stelle di neutroni e altri eventi esotici, e possiamo dimostrarlo perché porti tutti gli elementi e gli isotopi che sono stati prodotti lì. C'è una tendenza quando le persone guardano il cielo per dire, 'Oh, quello è l'universo.' Ma anche l'universo è qui, " Egli ha detto, battendogli il petto.