I fisici nucleari stanno usando il supercomputer più potente della nazione, Titano, presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility per studiare le interazioni tra particelle importanti per la produzione di energia nel sole e nelle stelle e per dare impulso alla ricerca di nuove scoperte fisiche

I calcoli diretti di questi processi nucleari possono fornire informazioni nuove e fondamentali nei campi della fisica delle alte energie, scienza nucleare, e astrofisica, incluso il modo in cui la materia si è formata nell'universo primordiale e la sua relazione con la materia oscura e la struttura su larga scala dell'universo.

Il team di ricerca che utilizza Titan, compreso il ricercatore principale William Detmold del Massachusetts Institute of Technology, sta calcolando la fusione protone-protone, un processo che alimenta il sole e altre stelle in cui due protoni si fondono per formare un deuterone, e il doppio decadimento beta, un processo raro che si verifica quando un nucleo instabile decade emettendo due elettroni con o senza neutrini (particelle subatomiche con massa prossima allo zero).

Sebbene sia stato osservato negli esperimenti un doppio decadimento beta con i neutrini, il team è concentrato sul decadimento doppio beta senza neutrini, un tipo di decadimento doppio beta previsto dalla teoria in cui non vengono emessi neutrini, solo elettroni. Ancora da osservare, questo processo senza neutrini è di grande interesse per i fisici perché potrebbe portare a nuove scoperte oltre l'attuale modello di fisica delle particelle noto come Modello Standard.

Il modello standard, una descrizione di tutte le particelle subatomiche conosciute e le forze fondamentali nell'universo ad eccezione della gravità, ha resistito negli esperimenti più e più volte. Però, il Modello Standard non è completo perché non può spiegare completamente ciò che gli scienziati osservano su scala cosmica.

Sulla base delle osservazioni delle galassie, supernova, e altri fenomeni, i ricercatori stimano che l'universo sia costituito da pochissima materia ordinaria (solo circa il 5 percento) ed è per lo più materia oscura invisibile che esercita un'attrazione gravitazionale sulla materia ordinaria (circa il 25 percento) e sull'energia oscura (circa il 70 percento). Eppure gli scienziati non sanno cosa costituisce la materia oscura o in che modo può interagire con la materia ordinaria oltre a quella gravitazionale.

Per aiutare a rispondere a queste e ad altre domande cosmiche, si stanno costruendo esperimenti in tutto il mondo per sondare le interazioni delle particelle a nuove scale ed energie, e i supercomputer vengono utilizzati per simulare interazioni rare o teoriche. Modellando le interazioni di semplici nuclei, i fisici possono capire il tipo di esperimenti che devono costruire e cosa possono aspettarsi dai dati sperimentali.

su Titano, Il team di Detmold ha utilizzato calcoli complessi di cromodinamica quantistica reticolare (QCD) per prevedere la velocità di reazione - la probabilità che si verifichi la fusione o il decadimento nucleare - della fusione protone-protone e una parte importante della velocità teorica del doppio decadimento beta senza neutrini.

"Stiamo dimostrando che puoi vedere gli stati legati dei nuclei usando la cromodinamica quantistica, " Disse Detmold. "Da lì, stiamo calcolando i processi nucleari più semplici che avvengono".

Modellare lo spazio-tempo

La fusione nucleare dell'idrogeno, l'elemento più leggero costituito solo da un protone e un elettrone, alimenta le stelle da milioni a miliardi di anni. Il team di Detmold ha calcolato la sezione d'urto della fusione protone-protone sui supercomputer perché questa interazione gioca un ruolo fondamentale nella produzione di energia solare.

"Non possiamo sondare sperimentalmente la fusione protone-protone così bene, " Disse Detmold. "Anche se prendi un bersaglio protonico e lo irradi con un raggio di protoni, i protoni si disperderanno, non fondere, quindi questo processo di fusione è molto raro in laboratorio."

In questo processo, due protoni superano la loro repulsione elettromagnetica tra cariche simili e interagiscono attraverso il corto raggio, forza subatomica nota come forza debole.

I calcoli del QCD reticolare rappresentano il modo in cui le particelle fondamentali che compongono i protoni, quark e gluoni, interagiscono nel volume dello spazio-tempo in cui avviene la fusione protone-protone. I quark sono i più piccoli costituenti conosciuti della materia, e i gluoni sono le particelle portatrici di forza che li legano. Chiamato per la griglia 4-D (il reticolo) che rappresenta lo spazio-tempo e l'unica "carica di colore" (cromo), che si riferisce a come si combinano quark e gluoni piuttosto che ai colori reali, i calcoli QCD reticolari sono calcoli intensivi che possono richiedere potenza di supercalcolo.

Utilizzando in modo efficiente l'architettura con accelerazione GPU di Titan, Il team di Detmold ha utilizzato la libreria Chroma reticolo QCD (sviluppato principalmente da Robert Edwards e Balint Joò di Thomas Jefferson National Accelerator Facility) con un nuovo algoritmo per includere interazioni deboli importanti per la fusione protone-protone e QUDA, una libreria QCD reticolare per GPU (sviluppata principalmente da Kate Clark di NVIDIA). I calcoli hanno generato più di 1, 000 istantanee del reticolo 4-D con 10 milioni di punti di calcolo per istantanea.

"Questi sono i primi calcoli QCD della velocità di fusione protone-protone, " ha detto Detmold.

I ricercatori hanno utilizzato gli stessi algoritmi QCD reticolari per calcolare un altro processo di interazione debole, decadimento del trizio beta, che è stato studiato sperimentalmente ed è stato utilizzato per verificare i calcoli.

Restringere la ricerca

I ricercatori hanno anche calcolato i sottoprocessi che contribuiscono a raddoppiare i tassi di decadimento beta, comprese le velocità teoriche per il doppio decadimento beta senza neutrini.

Un evento di particelle rare, il doppio decadimento beta è stato previsto per la prima volta nel 1935, ma non è stato osservato negli esperimenti fino agli anni '80. Questo tipo di decadimento può avvenire naturalmente quando due neutroni decadono in due protoni all'interno di un nucleo, emettendo due elettroni e due neutrini nel processo. Sebbene raro, il doppio decadimento beta si verifica in alcuni isotopi di elementi pesanti come un modo per il nucleo di stabilizzare il suo numero di protoni e neutroni.

Decadimento doppio beta senza neutrini, predetto anche più di mezzo secolo fa, non è mai stato osservato. Però, questo potenziale processo ha acquisito molta più importanza negli ultimi anni da quando i fisici hanno scoperto che i neutrini hanno una massa piccola. Poiché il neutrino ha una carica neutra, è teoricamente possibile che sia la sua stessa antiparticella, una particella della stessa massa ma di carica opposta. Le antiparticelle esistono in natura e sono state create e osservate in esperimenti, ma le particelle di materia sono molto più dominanti in natura.

Una particella che è la propria antiparticella, nota come particella di Majorana, potrebbe aiutare a spiegare il meccanismo con cui la materia ha avuto la precedenza sull'antimateria nell'universo, che è una delle grandi questioni in sospeso in cosmologia.

Molti esperimenti in tutto il mondo stanno cercando di osservare il doppio decadimento beta senza neutrini, che confermerebbe l'esistenza di un neutrino di Majorana. Una tale scoperta sarebbe, per la prima volta, fornire una firma inequivocabile della violazione della conservazione del numero leptonico, il principio che descrive l'equilibrio tra alcuni tipi di particelle di materia e le loro antiparticelle.

Esperimenti come il MAJORANA Demonstrator presso il Sanford Underground Research Facility raffreddano elementi pesanti nei laboratori sotterranei a temperature più fredde dello spazio vuoto. Nelle loro località remote con schermatura pesante, rivelatori di neutrini come il MAJORANA Demonstrator stanno consentendo agli scienziati di restringere la loro ricerca sulle interazioni rare di neutrini.

Poiché il doppio decadimento beta senza neutrini è teorico e, se reale, ancora molto raro, i ricercatori devono fare previsioni estremamente raffinate della sua velocità di reazione. Minore è la velocità di reazione, meno probabili saranno gli esperimenti in grado di catturare il processo e più grande dovrà essere il rivelatore sperimentale. I calcoli di Titan aiutano i ricercatori a comprendere i potenziali tassi di decadimento.

"In definitiva, quello che stiamo cercando di determinare è quanto è probabile che un esperimento di una data dimensione sarà in grado di vedere questo processo, quindi abbiamo bisogno di conoscere la velocità di reazione, " ha detto Detmold.

Gli attuali esperimenti sui neutrini sono su scala pilota, utilizzando decine di chilogrammi di un mezzo ad elementi pesanti (cristalli di germanio nel caso di MAJORANA). I rivelatori del futuro potrebbero essere costruiti su scala di tonnellate, ed è importante sapere che un tale esperimento sarebbe abbastanza sensibile da vedere il doppio decadimento beta senza neutrini, se esiste.

I calcoli del team del doppio decadimento beta su Titano forniscono il tipo di supporto teorico di cui gli sperimentatori hanno bisogno per sviluppare esperimenti e analizzare i dati.

Ma la fusione protone-protone e il doppio decadimento beta senza neutrini sono solo due dei tanti processi nucleari che possono essere porta d'accesso a nuove scoperte in fisica.

Con sistemi di nuova generazione come il supercomputer Summit dell'OLCF, che sarà online entro la fine dell'anno, questi calcoli saranno portati a un nuovo livello di accuratezza, e i ricercatori possono iniziare a studiare i decadimenti e le interazioni di nuclei più complessi.

"Ora che abbiamo dimostrato di poter controllare questi pochi processi di nucleoni, possiamo iniziare a calcolare processi più complicati, " ha detto Detmold.