泰坦上的粒子相互作用支持尋找新物理學發現

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】核物理學家正在橡樹嶺領導計算機構使用美國最強大的超級計算機Titan來研究太陽和恆星中對能量產生重要的粒子相互作用，並推動尋找新的物理學發現。這些核過程的直接計算可以為高能物理學，核科學和天體物理學等領域提供新的基礎信息，包括早期宇宙形成的物質及其與暗物質和宇宙大尺度結構的關係。包括麻省理工學院首席研究員William Detmold在內的泰坦研究小組正在計算質子與質子的融合 - 這個過程為太陽和其他恆星提供能量，在這個過程中兩個質子相互融合形成一個氘核和兩個β衰變，當一個不穩定的原子核通過發射兩個帶有或不帶有中微子的電子（質量接近於零的亞原子粒子）而衰變時發生的罕見過程。

雖然在實驗中觀察到中微子的雙重β衰變，但研究小組專註於無中微子雙β衰變 - 一種由沒有中微子發射的理論預測的雙β衰變類型只有電子。可以觀察到的是，這種無中微子的過程對物理學家來說是非常有意義的，因為它可能會導致超出當前被稱為標準模型的粒子物理模型的新發現。標準模型是宇宙中除了引力之外的所有已知的亞原子粒子和基本力的描述，在實驗中一再地「」舉起來」。然而標準模型並不完整，因為它不能完全解釋科學家在宇宙尺度上觀察到的東西。

質子與質子融合的概念性說明，其中兩個質子融合形成氘核。圖片版權：William Detmold

根據對星系，超新星和其他現象的觀察，研究人員估計，宇宙由很少的普通物質組成（僅約5％），而且大部分是看不見的暗物質，它們對普通物質（約25％）和黑暗能源（約70％）。然而科學家們不知道是什麼構成了暗物質，或者它不知道什麼方式與普通物質相互作用。為了回答這些問題和其他宇宙問題，世界各地正在建立實驗來探測新的尺度和能量的粒子相互作用，超級計算機被用來模擬稀有或理論的相互作用。物理學家通過對簡單原子核之間的相互作用進行建模，可以了解他們需要建立的實驗類型以及他們對實驗數據的期望。

在Titan上，Detmold的團隊使用複數晶格量子色動力學（QCD）計算來預測反應速率 - 核聚變或衰變將發生的質子 - 質子融合的可能性，是中微子雙β衰變理論速率的重要組成部分。Detmold說：研究已經表明可以看到使用量子色動力學原子核的束縛態。從那裡我們正在計算髮生的最簡單的核過程。

建模時空

氫的核聚變 - 僅由質子和電子組成的最輕的元素，為數百萬至數十億年的恆星提供能量。Detmold的團隊計算了超級計算機上的質子 - 質子融合截面，因為這種相互作用在太陽能生產中起著關鍵的作用。Detmold說：不能實驗性地探測質子與質子的融合。即使你拿一個質子靶，用一束質子照射它，質子也會散射，不會融合，所以這個聚變過程在實驗室中是非常罕見的。在這個過程中，兩個質子克服了它們之間的相似電荷之間的電磁斥力，並通過稱為弱力的短程亞原子力相互作用。晶格QCD計算表示組成質子的基本粒子 - 夸克和膠子 - 在質子 - 質子聚變發生的時空體積中如何相互作用。夸克是物質中已知最小的成分，膠子是攜帶它們的攜帶力的粒子。命名為表示時空的四維網格（格子）和唯一的「色荷」（chromo），它是指夸克和膠子如何組合而不是實際的色彩，格子QCD計算是需要大量計算的密集計算超級計算能力。

Detmold團隊高效地使用Titan的GPU加速架構，使用Chroma lattice QCD庫（主要由Robert Jefferson National Accelerator Facility的Robert Edwards和BalintJoò開發），採用一種新的演算法包括對質子 - 質子融合和QUDA重要的弱相互作用用於GPU的晶格QCD庫（主要由NVIDIA的Kate Clark開發）。這些計算生成了1000多個4-D點陣快照，每個快照計算1000萬個點。這是首次質子 - 質子核聚變率的QCD計算。研究人員使用相同的格子QCD演算法來計算另一個微弱的相互作用過程，氚β衰變，這已被實驗研究，並被用來驗證計算。

縮小搜索範圍

研究人員還計算了造成雙倍衰減率的子過程，其中包括中微子雙β衰變的理論比率。一個罕見的粒子事件，雙β衰變在1935年首先被預言，但直到20世紀80年代才在實驗中觀察到。這種類型的衰變可以自然發生，當兩個中子在核內衰變成兩個質子，在這個過程中發射兩個電子和兩個中微子。雖然很少見，但在一些重元素的同位素中出現雙β衰變，這是核子穩定質子和中子數量的一種方式。也是半個世紀以前預測的無中微子雙β衰變，從來沒有被觀察到。然而近年來，這一潛在的過程變得更加重要，因為物理學家發現中微子質量很小。

因為中微子具有中性電荷，理論上可能是它自己的反粒子 - 質量相同但電荷相反的粒子。反粒子存在於自然界，在實驗中被創造和觀察到，但物質粒子在自然界更具優勢。一個粒子是自己的反粒子，被稱為Majorana粒子，可以幫助解釋宇宙中物質優先於反物質的機制，這是宇宙學中最重要的問題之一。全球許多實驗都在試圖觀察中微子雙β衰變，這將確認Majorana中微子的存在。這樣一個發現將第一次提供了一個明確的標誌，即違反輕子數量守恆 - 這個原則描述了某些類型的物質粒子和它們的反粒子之間的平衡。例如Sanford地下研究機構的MAJORANA演示者的實驗將地下實驗室的重元件冷卻到比空餘空間更冷的溫度。在屏蔽較重的偏遠地區，像MAJORANA演示器這樣的中微子探測器使得科學家們能夠縮小他們對稀有中微子相互作用。

因為中微子雙β衰變是理論上的，而且如果真實的，還是非常罕見的，研究人員必須對其反應速率做出非常精確的預測。反應速率越小，實驗所能捕獲的過程就越少，實驗檢測器所需要的就越大。泰坦計算幫助研究人員了解潛在的衰減率。最終試圖確定的是一個給定大小的實驗能夠看到這個過程的可能性，所以我們需要知道反應速率。目前的中微子實驗是中試規模，使用數十公斤的重元素介質（在MAJORANA情況下是鍺晶體）。未來的探測器可以建立在噸級，重要的是要知道，這樣一個實驗將足夠敏感，如果存在的話，看到中微子雙β衰變。

該團隊對泰坦的雙重β衰變的計算提供了實驗主義者需要開發實驗和分析數據所需的那種理論支持。但質子 - 質子融合和無中微子雙β衰變只是許多物理學中新發現的門戶。使用OLCF的Summit超級計算機等新一代系統，將在今年晚些時候上線，這些計算將被提升到一個新的水平，研究人員可以開始研究更複雜的核的衰變和相互作用。Detmold說：現在我們已經證明，可以控制這幾個核子過程，可以開始計算更複雜的過程。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：物理評論快報

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：橡樹嶺國家實驗室

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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