Os físicos nucleares estão usando o supercomputador mais poderoso do país, Titã, no Oak Ridge Leadership Computing Facility para estudar interações de partículas importantes para a produção de energia no sol e nas estrelas e para impulsionar a busca por novas descobertas físicas

Cálculos diretos desses processos nucleares podem contribuir com informações novas e fundamentais para os campos da física de alta energia, ciência nuclear, e astrofísica, incluindo como a matéria se formou no universo primitivo e sua relação com a matéria escura e a estrutura em grande escala do universo.

A equipe de pesquisa usando Titan, incluindo o investigador principal William Detmold do Massachusetts Institute of Technology, está calculando a fusão próton-próton - um processo que alimenta o Sol e outras estrelas em que dois prótons se fundem para formar um deutério - e o decaimento beta duplo, um processo raro que ocorre quando um núcleo instável decai emitindo dois elétrons com ou sem neutrinos (partículas subatômicas com massa próxima de zero).

Embora o decaimento beta duplo com neutrinos tenha sido observado em experimentos, a equipe está focada no decaimento beta duplo sem neutrinos - um tipo de decaimento beta duplo previsto pela teoria em que nenhum neutrino é emitido, apenas elétrons. Ainda a ser observado, esse processo sem neutrinos é de grande interesse para os físicos porque pode levar a novas descobertas além do modelo atual da física de partículas conhecido como Modelo Padrão.

O modelo padrão, uma descrição de todas as partículas subatômicas conhecidas e forças fundamentais no universo, exceto para a gravidade, tem se sustentado em experimentos uma e outra vez. Contudo, o modelo padrão não está completo porque não pode explicar totalmente o que os cientistas observam na escala cósmica.

Com base em observações de galáxias, Super Nova, e outros fenômenos, pesquisadores estimam que o universo consiste em muito pouca matéria comum (apenas cerca de 5 por cento) e é principalmente matéria escura invisível que exerce uma atração gravitacional sobre a matéria comum (cerca de 25 por cento) e energia escura (cerca de 70 por cento). No entanto, os cientistas não sabem o que constitui a matéria escura ou de que maneiras ela pode interagir com a matéria comum, exceto gravitacionalmente.

Para ajudar a responder a essas e outras questões cósmicas, experimentos estão sendo construídos em todo o mundo para sondar as interações das partículas em novas escalas e energias, e supercomputadores estão sendo usados ​​para simular interações raras ou teóricas. Ao modelar as interações de núcleos simples, os físicos podem entender o tipo de experimentos que precisam construir e o que podem esperar dos dados experimentais.

Em Titan, A equipe de Detmold usou cálculos complexos de cromodinâmica quântica (QCD) para prever a taxa de reação - a probabilidade de fusão ou decadência nuclear - da fusão próton-próton e uma parte importante da taxa teórica de decaimento beta duplo sem neutrinos.

"Estamos mostrando que você pode ver os estados ligados dos núcleos usando a cromodinâmica quântica, "Detmold disse." A partir daí, estamos calculando os processos nucleares mais simples que acontecem. "

Modelando espaço-tempo

A fusão nuclear do hidrogênio - o elemento mais leve consistindo apenas de um próton e um elétron - alimenta estrelas de milhões a bilhões de anos. A equipe de Detmold calculou a seção transversal de fusão próton-próton em supercomputadores porque essa interação desempenha um papel crítico na produção de energia solar.

"Não podemos sondar experimentalmente a fusão próton-próton tão bem, "Detmold disse." Mesmo se você pegar um alvo de próton e irradiá-lo com um feixe de prótons, os prótons vão apenas se espalhar, não fundir, portanto, esse processo de fusão é muito raro em laboratório. "

Nesse processo, dois prótons superam sua repulsão eletromagnética entre cargas semelhantes e interagem no curto alcance, força subatômica conhecida como força fraca.

Os cálculos da rede QCD representam como as partículas fundamentais que compõem os prótons - quarks e glúons - interagem no volume de espaço-tempo em que ocorre a fusão próton-próton. Quarks são os menores constituintes conhecidos da matéria, e os glúons são as partículas portadoras de força que os ligam. Nomeado para a grade 4-D (a rede) que representa o espaço-tempo e a única "carga colorida" (cromo), que se refere a como quarks e glúons se combinam em vez de cores reais, os cálculos da rede QCD são cálculos intensivos que podem exigir potência de supercomputação.

Usando de forma eficiente a arquitetura acelerada por GPU do Titan, A equipe de Detmold usou a biblioteca Chroma lattice QCD (desenvolvida principalmente por Robert Edwards e Balint Joò da Thomas Jefferson National Accelerator Facility) com um novo algoritmo para incluir interações fracas importantes para a fusão próton-próton e QUDA, uma biblioteca lattice QCD para GPUs (desenvolvida principalmente por Kate Clark da NVIDIA). Os cálculos geraram mais de 1, 000 instantâneos da rede 4-D com 10 milhões de pontos de cálculo por instantâneo.

"Estes são os primeiros cálculos QCD da taxa de fusão próton-próton, "Detmold disse.

Os pesquisadores usaram os mesmos algoritmos de rede QCD para calcular outro processo de interação fraca, decaimento beta do trítio, que foi estudado experimentalmente e foi usado para verificar os cálculos.

Estreitando a pesquisa

Os pesquisadores também calcularam subprocessos que contribuem para as taxas de decaimento beta duplo, incluindo taxas teóricas para decaimento beta duplo sem neutrinos.

Um evento de partícula raro, o decaimento beta duplo foi previsto pela primeira vez em 1935, mas não foi observado em experimentos até a década de 1980. Este tipo de decaimento pode ocorrer naturalmente quando dois nêutrons decaem em dois prótons dentro de um núcleo, emitindo dois elétrons e dois neutrinos no processo. Embora raro, o decaimento beta duplo ocorre em alguns isótopos de elementos pesados ​​como uma forma de o núcleo estabilizar seu número de prótons e nêutrons.

Decaimento beta duplo sem neutrinos, também previsto há mais de meio século, nunca foi observada. Contudo, esse processo potencial ganhou muito mais significado nos últimos anos, desde que os físicos descobriram que os neutrinos têm uma massa pequena. Porque o neutrino tem uma carga neutra, é teoricamente possível que seja sua própria antipartícula - uma partícula da mesma massa, mas com carga oposta. As antipartículas existem na natureza e foram criadas e observadas em experimentos, mas as partículas de matéria são muito mais dominantes na natureza.

Uma partícula que é sua própria antipartícula, conhecido como uma partícula de Majorana, poderia ajudar a explicar o mecanismo pelo qual a matéria teve precedência sobre a antimatéria no universo, que é uma das grandes questões pendentes da cosmologia.

Muitos experimentos em todo o mundo estão tentando observar o decaimento beta duplo sem neutrinos, o que confirmaria a existência de um neutrino de Majorana. Essa descoberta seria, pela primeira vez, fornecem uma assinatura inequívoca da violação da conservação do número de leptões - o princípio que descreve o equilíbrio entre certos tipos de partículas de matéria e suas antipartículas.

Experimentos como o Demonstrador MAJORANA no Sanford Underground Research Facility resfriam elementos pesados ​​em laboratórios subterrâneos a temperaturas mais frias do que o espaço vazio. Em seus locais remotos com blindagem pesada, detectores de neutrinos como o MAJORANA Demonstrator estão permitindo aos cientistas estreitar sua busca por interações raras de neutrinos.

Porque o decaimento beta duplo sem neutrinos é teórico e, se real, ainda muito raro, os pesquisadores devem fazer previsões extremamente refinadas de sua taxa de reação. Quanto menor a taxa de reação, os experimentos menos prováveis ​​serão capazes de capturar o processo e quanto maior o detector experimental precisa ser. Os cálculos do Titan ajudam os pesquisadores a entender as taxas de decomposição em potencial.

"Em última análise, o que estamos tentando determinar é a probabilidade de um experimento de um determinado tamanho ser capaz de ver esse processo, então precisamos saber a taxa de reação, "Detmold disse.

Os experimentos atuais de neutrinos são em escala piloto, usando dezenas de quilogramas de um meio de elemento pesado (cristais de germânio no caso de MAJORANA). Futuros detectores podem ser construídos em escala de tonelada, e é importante saber que tal experimento seria sensível o suficiente para ver o decaimento beta duplo sem neutrinos, se ele existir.

Os cálculos da equipe de decaimento beta duplo em Titan fornecem o tipo de suporte teórico de que os experimentalistas precisam para desenvolver experimentos e analisar dados.

Mas a fusão próton-próton e o decaimento beta duplo sem neutrinos são apenas dois processos nucleares de muitos que podem ser portas de entrada para novas descobertas na física.

Com sistemas de última geração, como o supercomputador Summit do OLCF, que estará online ainda este ano, esses cálculos serão levados a um novo nível de precisão, e os pesquisadores podem começar a estudar as decadências e interações de núcleos mais complexos.

"Agora que mostramos que podemos controlar esses poucos processos de núcleon, podemos começar a calcular processos mais complicados, "Detmold disse.