[論文レビュー] Report of the Snowmass 2021 Topical Group on Lattice Gauge Theory

Zohreh Davoudi, Ethan T. Neil+36 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

Snowmass 2021 の報告書は、米国における高エネルギー物理学における格子ゲージ理論の戦略的ビジョンを概説し、クォーク質量、ミュオン g-2、電気双極子モーメント、および核および原子核における新物理のシグナルの精度計算を可能にするために、格子QCDへの継続的投資を提唱している。また、エクサスケールコンピューティング、量子シミュレーション、および量子コンピューティングの統合を強調し、強い相互作用場理論のシミュレーションを進めるだけでなく、素粒子物理学における将来的な発見に備えることを目的としている。

ABSTRACT

Lattice gauge theory continues to be a powerful theoretical and computational approach to simulating strongly interacting quantum field theories, whose applications permeate almost all disciplines of modern-day research in High-Energy Physics. Whether it is to enable precision quark- and lepton-flavor physics, to uncover signals of new physics in nucleons and nuclei, to elucidate hadron structure and spectrum, to serve as a numerical laboratory to reach beyond the Standard Model, or to invent and improve state-of-the-art computational paradigms, the lattice-gauge-theory program is in a prime position to impact the course of developments and enhance discovery potential of a vibrant experimental program in High-Energy Physics over the coming decade. This projection is based on abundant successful results that have emerged using lattice gauge theory over the years: on continued improvement in theoretical frameworks and algorithmic suits; on the forthcoming transition into the exascale era of high-performance computing; and on a skillful, dedicated, and organized community of lattice gauge theorists in the U.S. and worldwide. The prospects of this effort in pushing the frontiers of research in High-Energy Physics have recently been studied within the U.S. decadal Particle Physics Planning Exercise (Snowmass 2021), and the conclusions are summarized in this Topical Report.

研究の動機と目的

• クォーク質量やミュオンの異常磁気モーメントを含む、精度の高いフレーバー物理学の基盤として格子QCDを発展させること。
• 核および原子核における新物理のシグナル（例えば、電気双極子モーメントやレプトン数／バリオン数の保存が成り立たない現象）を特定し、計算すること。
• エクサスケールコンピューティング時代に備えて、格子場理論のためのアルゴリズム、ソフトウェア、および計算フレームワークの改善を図ること。
• 近い将来のノイジィな中間スケール量子（NISQ）デバイスを活用し、量子コンピューティングおよび量子シミュレーションを格子場理論研究に統合すること。
• 学術機関、国立研究所、および産業界が連携し、格子場理論および量子シミュレーションのための専用ハードウェアとソフトウェアを共同開発することを促進すること。

提案手法

• 不確かさを制御できるように、格子QCDシミュレーションを用いてハドロン行列要素、クォーク質量、強い結合定数を計算する。
• 改善されたアクション、改善されたフェルミオン形式、およびアルゴリズムの進歩（例：ドメイン分割、マルチグリッドソルバ）を適用し、計算効率を向上させる。
• スキャッタリング断面積、構造関数、量子情報の測定など、非自明な量子状態の準備と観測量の測定に向けたプロトコルを開発する。
• 適切に設計されたハミルトニアン工学を用いて、超低温原子、捕獲イオン、光子系などのアナログ量子シミュレータに場の理論をマッピングする。
• 近い将来のNISQデバイスに格子場理論のアルゴリズムをベンチマーク・実装し、理論的提案が実験的制約と整合するかを検証する。
• 過去のHPC共同設計の成功事例を踏まえ、産業パートナーと協力して特殊用途の量子ハードウェアを共同設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 格子QCDは、ミュオンの異常磁気モーメントおよびタウ粒子の崩壊断面積の精度をどのように向上させられるか？
• RQ2 ミュオン g-2 における一次のハドロン的寄与は何か？ そして、1%未満の不確かさでどのように計算できるか？
• RQ3 核および原子核における電気双極子モーメントの格子QCD計算は、標準模型およびその先のCP対称性破れ位相に対する制約を提供できるか？
• RQ4 格子シミュレーションは、ニュートリノなし二重ベータ崩壊のようなレプトン数保存が成り立たない過程をどのように探査できるか？
• RQ5 近い将来の量子デバイスでQCDやその他の強い結合場理論をシミュレートする際の最適な量子アルゴリズムとハードウェアマッピングは何か？

主な発見

• 格子QCDは、ミュオン g-2 のハドロン的真空偏移寄与といった重要な物理量で、1%未満の精度に達しており、今後さらなる不確かさの低減が期待される。
• 核および原子核における電気双極子モーメントの計算が、制御された系列的誤差を伴って可能になり、CP対称性破れの感受性の高いプローブとしての役割を果たすようになった。
• 格子シミュレーションは、陽子崩壊や n–n̄ 振動に関連するような、奇妙なハドロン状態や共鳴状態の存在に関する定量的証拠を提供している。
• 近い将来の量子デバイスは、スキャッタリング断面積や構造関数のための量子アルゴリズムのベンチマークに使用されており、制御されたシミュレーションで有望な結果が得られている。
• エクサスケールコンピューティングへの移行により、物理的クォーク質量と細かい格子を用いたフルQCDのシミュレーションが可能になり、系統的誤差が低減される見込みである。
• 非アーベルゲージ理論を量子プロセッサ上でシミュレートする計算的要請を満たすために、量子ハードウェアとソフトウェアの共同設計が不可欠である。