A fusão de dois prótons inicia o ciclo nuclear primário que alimenta o sol. A taxa dessa baixa energia, a fusão de interação fraca é muito pequena para ser medida em laboratório. Embora as previsões do modelo nuclear para esta reação sejam impressionantes, cálculos sem modelos reduziriam as incertezas e ofereceriam uma visão mais precisa da fusão próton-próton e processos relacionados. Usando uma técnica chamada cromodinâmica quântica de rede, os cientistas realizaram o primeiro cálculo independente de modelo bem-sucedido da taxa de fusão próton-próton diretamente da dinâmica fundamental de quarks e glúons (os blocos de construção de prótons e núcleos).

Este trabalho abre caminho para calcular a taxa de fusão próton-próton, e reações nucleares semelhantes de importância astrofísica, com novos níveis de precisão.

The Nuclear Physics with Lattice Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), sob a égide da U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, realizaram o primeiro cálculo independente do modelo da taxa de fusão próton-próton diretamente da dinâmica de quarks e glúons usando técnicas numéricas. A taxa desse processo é muito pequena para ser medida em laboratório hoje por dois motivos:a repulsão eletrostática entre os prótons de baixa energia e as pequenas taxas de interação fracas. A equipe alcançou a previsão teórica para este processo por meio de cálculos em que a repulsão eletrostática foi removida e as taxas de interação fracas foram aumentadas para fornecer acesso aos elementos críticos do processo.

Estes foram então restaurados usando aproximações sistemáticas para a teoria física subjacente (técnicas eficazes da teoria de campo) ao fazer a previsão para a taxa de reação. O primeiro cálculo de cromodinâmica quântica de rede da força da transição fraca entre o tritão e o hélio-3 (que carrega informações significativas de interações de spin no meio nuclear) também foi realizado neste trabalho e considerado consistente com medições experimentais. Esses cálculos usaram cromodinâmica quântica de rede, uma técnica em que o espaço-tempo é representado por uma grade finita de pontos, e os campos quânticos que descrevem os quarks e glúons são definidos nesses pontos e as ligações entre eles, respectivamente. Este método fornece uma avaliação da integral do caminho da cromodinâmica quântica, por meio da amostragem de Monte Carlo do movimento da mecânica quântica dos quarks e glúons (as partículas subatômicas que unem os quarks).

Este método é completamente controlado e pode ser sistematicamente melhorado e refinado reduzindo a distância física entre os pontos da grade, aumentando o volume do espaço-tempo, e aumentando a amostragem da integral do caminho. Este trabalho usou configurações ("instantâneos" do vácuo da mecânica quântica) geradas usando o conjunto de software Chroma desenvolvido dentro do DOE's Scientific Discovery através da Advanced Computing financiada pela U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration. Algoritmos e códigos existentes para formar funções de correlação nuclear em cálculos cromodinâmicos quânticos de rede e novos algoritmos, incluindo as interações de quarks com sondas externas, desenvolvido dentro do NPLQCD, foram usados ​​para calcular as quantidades-chave que determinam a taxa de fusão próton-próton.

Os resultados desses cálculos foram conectados à natureza usando técnicas eficazes da teoria de campo. O entendimento obtido nos cálculos do NPLQCD do processo de captura de nêutrons térmicos n + p → d + γ foi usado para fazer esta conexão. Com recursos computacionais aumentados, esses cálculos podem ser sistematicamente refinados para fornecer uma incerteza na taxa de fusão próton-próton, e reações nucleares semelhantes, que é significativamente menor do que é possível com outras técnicas. Essa descoberta foi possível graças ao desenvolvimento de algoritmos e recursos de supercomputação de alto desempenho.