【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】核物理学家正在橡树岭领导计算机构使用美国最强大的超级计算机Titan来研究太阳和恒星中对能量产生重要的粒子相互作用，并推动寻找新的物理学发现。这些核过程的直接计算可以为高能物理学，核科学和天体物理学等领域提供新的基础信息，包括早期宇宙形成的物质及其与暗物质和宇宙大尺度结构的关系。包括麻省理工学院首席研究员William Detmold在内的泰坦研究小组正在计算质子与质子的融合 - 这个过程为太阳和其他恒星提供能量，在这个过程中两个质子相互融合形成一个氘核和两个β衰变，当一个不稳定的原子核通过发射两个带有或不带有中微子的电子（质量接近于零的亚原子粒子）而衰变时发生的罕见过程。
虽然在实验中观察到中微子的双重β衰变，但研究小组专注于无中微子双β衰变 - 一种由没有中微子发射的理论预测的双β衰变类型只有电子。可以观察到的是，这种无中微子的过程对物理学家来说是非常有意义的，因为它可能会导致超出当前被称为标准模型的粒子物理模型的新发现。标准模型是宇宙中除了引力之外的所有已知的亚原子粒子和基本力的描述，在实验中一再地“”举起来”。然而标准模型并不完整，因为它不能完全解释科学家在宇宙尺度上观察到的东西。
质子与质子融合的概念性说明，其中两个质子融合形成氘核。图片版权：William Detmold
根据对星系，超新星和其他现象的观察，研究人员估计，宇宙由很少的普通物质组成（仅约5％），而且大部分是看不见的暗物质，它们对普通物质（约25％）和黑暗能源（约70％）。然而科学家们不知道是什么构成了暗物质，或者它不知道什么方式与普通物质相互作用。为了回答这些问题和其他宇宙问题，世界各地正在建立实验来探测新的尺度和能量的粒子相互作用，超级计算机被用来模拟稀有或理论的相互作用。物理学家通过对简单原子核之间的相互作用进行建模，可以了解他们需要建立的实验类型以及他们对实验数据的期望。
在Titan上，Detmold的团队使用复数晶格量子色动力学（QCD）计算来预测反应速率 - 核聚变或衰变将发生的质子 - 质子融合的可能性，是中微子双β衰变理论速率的重要组成部分。Detmold说：研究已经表明可以看到使用量子色动力学原子核的束缚态。从那里我们正在计算发生的最简单的核过程。
建模时空
氢的核聚变 - 仅由质子和电子组成的最轻的元素，为数百万至数十亿年的恒星提供能量。Detmold的团队计算了超级计算机上的质子 - 质子融合截面，因为这种相互作用在太阳能生产中起着关键的作用。Detmold说：不能实验性地探测质子与质子的融合。即使你拿一个质子靶，用一束质子照射它，质子也会散射，不会融合，所以这个聚变过程在实验室中是非常罕见的。在这个过程中，两个质子克服了它们之间的相似电荷之间的电磁斥力，并通过称为弱力的短程亚原子力相互作用。晶格QCD计算表示组成质子的基本粒子 - 夸克和胶子 - 在质子 - 质子聚变发生的时空体积中如何相互作用。夸克是物质中已知最小的成分，胶子是携带它们的携带力的粒子。命名为表示时空的四维网格（格子）和唯一的“色荷”（chromo），它是指夸克和胶子如何组合而不是实际的色彩，格子QCD计算是需要大量计算的密集计算超级计算能力。
Detmold团队高效地使用Titan的GPU加速架构，使用Chroma lattice QCD库（主要由Robert Jefferson National Accelerator Facility的Robert Edwards和BalintJoò开发），采用一种新的算法包括对质子 - 质子融合和QUDA重要的弱相互作用用于GPU的晶格QCD库（主要由NVIDIA的Kate Clark开发）。这些计算生成了1000多个4-D点阵快照，每个快照计算1000万个点。这是首次质子 - 质子核聚变率的QCD计算。研究人员使用相同的格子QCD算法来计算另一个微弱的相互作用过程，氚β衰变，这已被实验研究，并被用来验证计算。
缩小搜索范围
研究人员还计算了造成双倍衰减率的子过程，其中包括中微子双β衰变的理论比率。一个罕见的粒子事件，双β衰变在1935年首先被预言，但直到20世纪80年代才在实验中观察到。这种类型的衰变可以自然发生，当两个中子在核内衰变成两个质子，在这个过程中发射两个电子和两个中微子。虽然很少见，但在一些重元素的同位素中出现双β衰变，这是核子稳定质子和中子数量的一种方式。也是半个世纪以前预测的无中微子双β衰变，从来没有被观察到。然而近年来，这一潜在的过程变得更加重要，因为物理学家发现中微子质量很小。
因为中微子具有中性电荷，理论上可能是它自己的反粒子 - 质量相同但电荷相反的粒子。反粒子存在于自然界，在实验中被创造和观察到，但物质粒子在自然界更具优势。一个粒子是自己的反粒子，被称为Majorana粒子，可以帮助解释宇宙中物质优先于反物质的机制，这是宇宙学中最重要的问题之一。全球许多实验都在试图观察中微子双β衰变，这将确认Majorana中微子的存在。这样一个发现将第一次提供了一个明确的标志，即违反轻子数量守恒 - 这个原则描述了某些类型的物质粒子和它们的反粒子之间的平衡。例如Sanford地下研究机构的MAJORANA演示者的实验将地下实验室的重元件冷却到比空余空间更冷的温度。在屏蔽较重的偏远地区，像MAJORANA演示器这样的中微子探测器使得科学家们能够缩小他们对稀有中微子相互作用。
因为中微子双β衰变是理论上的，而且如果真实的，还是非常罕见的，研究人员必须对其反应速率做出非常精确的预测。反应速率越小，实验所能捕获的过程就越少，实验检测器所需要的就越大。泰坦计算帮助研究人员了解潜在的衰减率。最终试图确定的是一个给定大小的实验能够看到这个过程的可能性，所以我们需要知道反应速率。目前的中微子实验是中试规模，使用数十公斤的重元素介质（在MAJORANA情况下是锗晶体）。未来的探测器可以建立在吨级，重要的是要知道，这样一个实验将足够敏感，如果存在的话，看到中微子双β衰变。
该团队对泰坦的双重β衰变的计算提供了实验主义者需要开发实验和分析数据所需的那种理论支持。但质子 - 质子融合和无中微子双β衰变只是许多物理学中新发现的门户。使用OLCF的Summit超级计算机等新一代系统，将在今年晚些时候上线，这些计算将被提升到一个新的水平，研究人员可以开始研究更复杂的核的衰变和相互作用。Detmold说：现在我们已经证明，可以控制这几个核子过程，可以开始计算更复杂的过程。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：物理评论快报
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：橡树岭国家实验室
编译：中子星
审校：博科园
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