La fusione di due protoni avvia il ciclo nucleare primario che alimenta il Sole. Il tasso di questa bassa energia, la fusione a interazione debole è troppo piccola per essere misurata in laboratorio. Mentre le previsioni del modello nucleare per questa reazione sono impressionanti, i calcoli senza modelli ridurrebbero le incertezze e offrirebbe una visione più accurata della fusione protone-protone e dei processi correlati. Utilizzando una tecnica chiamata cromodinamica quantistica reticolare, gli scienziati hanno eseguito con successo il primo calcolo indipendente dal modello della velocità di fusione protone-protone direttamente dalla dinamica fondamentale di quark e gluoni (i mattoni di protoni e nuclei).

Questo lavoro apre la strada al calcolo della velocità di fusione protone-protone, e simili reazioni nucleari di importanza astrofisica, con nuovi livelli di precisione.

La fisica nucleare con la collaborazione sulla cromodinamica quantistica reticolare (NPLQCD), sotto l'egida della Quantum Chromodynamics Collaboration degli Stati Uniti, ha eseguito il primo calcolo indipendente dal modello della velocità di fusione protone-protone direttamente dalla dinamica di quark e gluoni utilizzando tecniche numeriche. La velocità di questo processo è troppo piccola per essere misurata oggi in laboratorio per due ragioni:la repulsione elettrostatica tra i protoni a bassa energia e le piccole velocità di interazione debole. Il team ha ottenuto la previsione teorica per questo processo attraverso calcoli in cui è stata rimossa la repulsione elettrostatica e sono stati aumentati i tassi di interazione debole per fornire l'accesso agli elementi critici del processo.

Questi sono stati quindi ripristinati utilizzando approssimazioni sistematiche alla teoria fisica sottostante (tecniche di teoria dei campi efficaci) nel fare la previsione per la velocità di reazione. In questo lavoro è stato eseguito anche il primo calcolo della cromodinamica quantistica reticolare della forza della transizione debole tra il tritone e l'elio-3 (che trasportano informazioni significative sulle interazioni di spin nel mezzo nucleare) ed è risultato essere coerente con le misurazioni sperimentali. Questi calcoli hanno utilizzato la cromodinamica quantistica reticolare, una tecnica in cui lo spazio-tempo è rappresentato da una griglia finita di punti, e i campi quantistici che descrivono i quark e i gluoni sono definiti su questi punti e i collegamenti tra loro, rispettivamente. Questo metodo fornisce una valutazione dell'integrale del percorso cromodinamico quantistico, attraverso il campionamento Monte Carlo del moto quantomeccanico dei quark e dei gluoni (le particelle subatomiche che legano insieme i quark).

Questo metodo è completamente controllato e può essere sistematicamente migliorato e perfezionato riducendo la distanza fisica tra i punti della griglia, aumentando il volume dello spazio-tempo, e aumentando il campionamento dell'integrale di cammino. Questo lavoro ha utilizzato configurazioni ("istantanee" del vuoto quantomeccanico) generate utilizzando la suite di software Chroma sviluppata all'interno della Scientific Discovery del DOE attraverso la collaborazione statunitense Quantum Chromodynamics, finanziata da Advanced Computing. Algoritmi e codici esistenti per formare funzioni di correlazione nucleare nei calcoli della cromodinamica quantistica reticolare e nuovi algoritmi che includono le interazioni dei quark con sonde esterne, sviluppato all'interno di NPLQCD, sono stati utilizzati per calcolare le quantità chiave che determinano la velocità della fusione protone-protone.

I risultati di questi calcoli sono stati collegati alla natura utilizzando efficaci tecniche di teoria dei campi. La comprensione acquisita nei calcoli di NPLQCD del processo di cattura di neutroni termici n+p→d+γ è stata utilizzata per stabilire questa connessione. Con maggiori risorse di calcolo, questi calcoli possono essere sistematicamente raffinati per fornire un'incertezza nel tasso di fusione protone-protone, e simili reazioni nucleari, che è significativamente più piccolo di quanto sia possibile con altre tecniche. Questa svolta è stata resa possibile dagli sviluppi algoritmici e dalle risorse di supercalcolo ad alte prestazioni.