[論文レビュー] Study of quark mass dependence of binding energy for light nuclei in 2+1 flavor lattice QCD

Takeshi Yamazaki, Ken-Ichi Ishikawa+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2015

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 16

ひとこと要約

このラティスQCD研究では、パイオン質量 0.30 GeV における 2+1 フレーバー QCD において、軽い核の結合エネルギーのクォーク質量依存性を、摂動的でない O(a)-補正付きウィルソンクォークと岩崎ゲージ作用法則を用いて調査した。すべての考察対象核（4He、3He、デュテロン（3S1）、ジヌートロン（1S0））が束縛状態であることが確認され、実験値を著しく上回る結合エネルギーを示した。これは、この物理的でないクォーク質量において、有効な核子-核子相互作用が強くなっていることを示唆している。

ABSTRACT

We investigate the formation of light nuclei with the nuclear mass number less than or equal to four in 2+1 flavor QCD using a non-perturbative improved Wilson quark and Iwasaki gauge actions. The quark mass is decreased from our previous work to the one corresponding to the pion mass of 0.30 GeV. In each multi-nucleon channel, the energy shift of the ground state relative to the assembly of free nucleons is calculated on two volumes, whose spatial extents are 4.3 fm and 5.8 fm. From the volume dependence of the energy shift, we distinguish a bound state of multi nucleons from an attractive scattering state. We find that all the ground states measured in this calculation are bound states. As in the previous studies at larger $m_π$, our result indicates that at $m_π= 0.30$ GeV the effective interaction between nucleons in the light nuclei is relatively stronger than the one in nature, since the results for the binding energies are larger than the experimental values and a bound state appears in the dineutron channel, which is not observed in experiment. Possible sources of systematic error in this calculation are discussed.

研究の動機と目的

• 以前の研究よりも軽いパイオン質量（0.30 GeV）における 2+1 フレーバー ラティスQCDを用いて、軽い核における結合エネルギーのクォーク質量依存性を調査すること。
• 以前のシミュレーションで重いクォーク質量で観測された束縛状態が、物理的点に近い軽いクォーク質量でも継続するかどうかを特定すること。
• 強化された結合エネルギーおよび束縛状態として観測されたジヌートロン状態が、重いクォーク質量に起因するラティスのアーティファクトであるのか、それともラティスQCD計算における体系的傾向を示しているのかを評価すること。
• 有限体積効果、励起状態の混入、格子間隔のアーティファクトなどの体系的誤差が、核の結合エネルギー計算に与える影響を検討すること。
• 統計的精度と体積制御を向上させたことで、mπ = 0.30 GeV までクォーク質量スキャンを拡張し、今後の物理的点での計算のベンチマークを提供すること。

提案手法

• β = 1.90 で、摂動的でない O(a)-補正付きウィルソンクォークと岩崎ゲージ作用法則を用いた 2+1 フレーバー ラティスQCDを採用し、格子間隔は 0.08995(40) fm を得た。
• 空間体積を 48³×48 と 64³×64 に設定し、それぞれ物理的スケールは 4.3 fm と 5.8 fm に対応させ、エネルギーシフトの体積依存性を検証した。
• 最適化されたスメアリングを用いた相関関数を計算し、多核子基底状態と自由核子のしきい値との間のエネルギーシフト ΔEL を求めた。
• ルシュラーの公式を適用し、エネルギーシフトの体積依存性を用いて束縛状態と散乱状態を区別した。
• ΔEL の体積依存性を用いて無限体積への外挿を実行し、熱力学的極限における結合エネルギーを推定した。
• 軽いクォーク質量における統計誤差を低減するため、小および大の体積でそれぞれ 12 倍および 5 倍の統計的サンプリングを増加した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2+1 フレーバー ラティスQCDにおいて、パイオン質量 0.30 GeV のとき、4He、3He、デュテロン、ジヌートロンといった軽い核の形成が継続するか？
• RQ2 mπ = 0.30 GeV 時に、これらの核の結合エネルギーが実験値よりも著しく大きくなるか？また、mπ = 0.51 GeV 時の以前の結果と比較して、この差異は継続するか？
• RQ3 1S0（ジヌートロン）チャネルで観測された束縛状態は、重いクォーク質量に起因するラティスのアーティファクトであるのか、それともこのクォーク質量における核力の本質的特徴を示しているのか？
• RQ4 有限体積効果、励起状態の混入、格子間隔のアーティファクトといった体系的誤差が、軽い核における結合エネルギーの抽出にどのように影響するか？
• RQ5 このクォーク質量における多核子系において、エネルギーシフト ΔEL の体積依存性を信頼性を持って束縛状態と散乱状態を区別するのにも使用できるか？

主な発見

• 4He、3He、デュテロン（3S1）、ジヌートロン（1S0）のすべての考察対象軽い核が、エネルギーシフト ΔEL の体積依存性を通じて束縛状態として確認された。
• 4He の無限体積結合エネルギーは 47(7)(+20/-11) MeV と推定され、実験値の 28.3 MeV と同等の大きさであった。
• 3He の結合エネルギーは 21.7(1.2)(+13/-1.6) MeV であり、実験値の 8.48 MeV より約 3 倍大きい。
• デュテロン（3S1）の結合エネルギーは 14.5(0.7)(+2.4/-0.8) MeV であり、実験値の 2.2 MeV より約 7 倍大きい。
• 1S0（ジヌートロン）チャネルに束縛状態が観測され、結合エネルギーは 8.5(0.7)(+1.6/-0.5) MeV であった。これは自然界に束縛状態が存在しないため、物理的に不自然である。
• mπ = 0.30 GeV 時の結合エネルギー値は、mπ = 0.51 GeV 時の値とほとんど変化がなく、統計的および体系的誤差を含めた場合、3S1 チャネルでの最大相対差はたった 1.9σ であった。