[논문 리뷰] Report of the Snowmass 2021 Topical Group on Lattice Gauge Theory

Zohreh Davoudi, Ethan T. Neil외 36명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 Snowmass 2021 보고서는 미국 고에너지 물리학 분야에서 격자 양성수 이론의 전략적 비전을 요약하며, 쿼크 질량, 뮤온 g-2, 전기 dipole moment, 그리고 양성자와 핵에서의 새로운 물리 신호의 정밀 계산을 가능하게 하기 위해 라티스 QCD에 대한 지속적 투자를 촉구한다. 이 보고서는 엑사스케일 컴퓨팅, 양자 시뮬레이션, 그리고 양자 컴퓨팅을 통합하여 강하게 상호작용하는 장 이론의 시뮬레이션을 발전시키고 향후 입자물리학의 발견을 준비하는 데 중점을 둔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 라티스 QCD를 정밀한 프라임 물리학의 핵심으로 발전시켜, 뮤온 이상자기모멘트와 쿼크 질량을 포함한 분석을 가능하게 한다.
• 양성자와 핵에서의 새로운 물리 신호, 예를 들어 전기 dipole moment과 렙톤/바리온 수 위반 현상을 규명하고 계산한다.
• 엑사스케일 컴퓨팅 시대에 대비해 라티스 장 이론의 알고리즘, 소프트웨어, 그리고 계산 프레임워크를 개선한다.
• 양자 컴퓨팅과 양자 시뮬레이션을 라티스 장 이론 연구에 통합하여, 근래의 노이즈가 많은 중간 규모 양자(NISQ) 장치를 활용한다.
• 학계, 국립연구소, 산업계 간의 협력을 촉진하여 라티스 장 이론과 양자 시뮬레이션을 위한 전용 하드웨어와 소프트웨어를 공동 개발한다.

제안 방법

• 통제된 불확실성으로 함께 하드론 행렬원소, 쿼크 질량, 강한 결합 상수를 계산하기 위해 라티스 QCD 시뮬레이션을 활용한다.
• 향상된 액션, 향상된 페르미온 형식, 알고리즘적 진전(예: 도메인 분할, 멀티그리드 해법기)을 적용하여 계산 효율성을 향상시킨다.
• 비어 있는 양자 상태를 준비하고 산란 단면적, 구조 함수, 양자 정보 측정치와 같은 관측량을 측정하기 위한 프로토콜을 개발한다.
• 맞춤형 하미르토니안 설계를 통해 양자장 이론을 초저온 원자, 포획 이온, 광학 시스템 등의 유사 양자 시뮬레이터에 매핑한다.
• 근래의 NISQ 장치에 라티스 장 이론 알고리즘을 벤치마킹하고 구현하여 이론적 제안을 실험적 제약 조건과 대비한다.
• 과거 라티스 QCD를 위한 HPC 공동 설계 성공 사례를 바탕으로 산업 파artner와 함께 특수 목적의 양자 하드웨어를 공동 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라티스 QCD는 어떻게 뮤온 이성자기모멘트와 타우 붕괴 단면적의 정밀도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 뮤온 g-2에 대한 주요 순서의 강한 상호작용 기여는 무엇이며, 이를 1% 미만의 불확실성으로 어떻게 계산할 수 있는가?
• RQ3 양성자와 핵에서의 전기 dipole moment에 대한 라티스 QCD 계산은 표준모형 내외의 CP 위반 위상에 대한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ4 라티스 시뮬레이션은 어떻게 렙톤 수 위반 과정, 예를 들어 중성미자 없는 이중베타 붕괴를 탐색할 수 있는가?
• RQ5 근래의 양자 장치에서 QCD와 기타 강하게 결합된 장 이론을 시뮬레이션하기 위한 최적의 양자 알고리즘과 하드웨어 매핑은 무엇인가?

주요 결과

• 라티스 QCD는 뮤온 g-2의 하드론 진공 분극 기여와 같은 핵심 관측량에서 1% 미만의 정밀도를 달성했으며, 향후 개선으로 불확실성이 더욱 감소할 것으로 기대된다.
• 양성자와 핵에서의 전기 dipole moment 계산은 통제된 체계적 오차로 이제 가능해졌으며, CP 위반에 대한 민감한 탐지 수단이 된다.
• 라티스 시뮬레이션은 프로톤 붕괴와 n–n̄ 진동과 관련된 고유한 하드론 상태와 공명 상태 존재에 대한 정량적 증거를 제공했다.
• 근래의 양자 장치는 산란 단면적과 구조 함수에 대한 양자 알고리즘의 벤치마킹에 사용되며, 통제된 시뮬레이션에서 유망한 결과를 보였다.
• 엑사스케일 컴퓨팅으로의 전환은 물리적 쿼크 질량과 미세 격자로 된 전체 QCD 시뮬레이션을 가능하게 하여 체계적 오차를 감소시킬 것으로 기대된다.
• 양자 프로세서에서 비아벨이 아닌 게이지 이론을 시뮬레이션하기 위한 계산 요구사항을 충족시키기 위해, 양자 하드웨어와 소프트웨어의 협업적 공동 설계가 필수적이다.