نظریه‌پردازان از محاسبات کرومودینامیک کوانتومی شبکه‌ای برای پیش‌بینی دو برهم‌کنش ناشی از نیروی ضعیف استفاده کرده‌اند: هم‌جوشی پروتون و واپاشی تریتیوم.

نیروهای هسته‌ای به دو گونه ظاهر می‌شوند: نیروی قوی که شامل برهم‌کنش‌های کوارک-کوارک می‌شود، و نیروی ضعیف که عمدتاً مسئول واپاشی‌های پرتوزاست. با این که این دو نیرو متفاوت از هم رفتار می‌کنند، برای اولین بار، کارهای نظری جدید از محاسباتی بر پایه‌ی نیروی قوی برای تعیین پارامترهای دو فرآیند ناشی از نیروی ضعیف استفاده می‌کند: هم‌جوشی پروتون-پروتون و واپاشی بتای تریتیوم. مقادیر محاسبه‌شده توسط گروه NPLQCD با مشاهدات آزمایش‌گاهی سازگار است. با بهینه‌سازی‌های بیش‌تر، این کار می‌تواند به فهم به‌تری از فرآیندهای هسته‌ای اخترفیزیکی و فیزیک نوترینو منجر شود.

نیروی قوی با کرومودینامیک کوانتومی (QCD) توصیف می‌شود، که حل آن آشکارا سخت است؛ چون جاذبه‌ی قوی بین کوارک‌ها با فاصله کاهش نمی‌یابد. فیزیک‌دانان با انجام محاسباتی روی یک شبکه‌ی چهار-بعدی، بر سختی و سرکشی QCD فائق آمده‌اند. کرومودینامیک کوانتومی شبکه‌ای، حل‌هایی تقریبی فراهم می‌آورد که با کوچک‌تر شدن فاصله‌ی شبکه به سمت صفر، دقیق‌تر و دقیق‌تر می‌شوند.

با استفاده از یک چارچوب کرومودینامیک کوانتومی شبکه‌ای، پژوهش‌گران در گروه NPLQCD، نیروی ضعیف را به سان یک «میدان پس‌زمینه» در نظر گرفته و برهم‌کنش‌های میان هستک‌های مختلف و هسته‌های سبک هم‌چون پروتون‌ها، نوترون‌ها، دوترون‌ها و ... را محاسبه می‌کنند. از این محاسبات، احتمال هم‌جوشی پروتون-پروتون، یعنی واکنش اصلی نیروبخشی ستارگانی مثل خورشید ما را استخراج می‌کنند. آنان هم‌چنین پارامتری مربوط به آهنگ واپاشی بتای تریتیوم را معین می‌کنند. با این که این تیم برای سادگی محاسبات، جرم کوارک‌ها را به طور غیر واقع‌بینانه بزرگ در نظر گرفتند، نتایج در حدود تخمین‌های پیشین درآمدند. با استفاده از ورودی‌های طبیعی‌تر، این رهیافت باید برای مثال مقدار دقیق‌تری برای آهنگ واپاشی تریتیوم به دست دهد که حد‌های سخت‌تری روی جرم نوترینو خواهد گذاشت.

این پژوهش در Physical Review Letters به چاپ رسیده‌است.

منبع: Synopsis: Strong Force Calculations for Weak Force Reactions

مرجع: Proton-Proton Fusion and Tritium β Decay from Lattice Quantum Chromodynamics

Martin J. Savage, Phiala E. Shanahan, Brian C. Tiburzi, Michael L. Wagman, Frank Winter, Silas R. Beane, Emmanuel Chang, Zohreh Davoudi, William Detmold, and Kostas Orginos (NPLQCD Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 119, 062002 (2017)