[论文解读] Lattice QCD and Particle Physics

Andreas S. Kronfeld, Bhattacharya, Tanmoy+80 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 8

一句话总结

本美国量子色动力学联盟（USQCD）白皮书全面评估了格点量子色动力学（QCD）作为现代粒子物理学基石的作用，主张持续投资高性能计算基础设施。该白皮书概述了格点QCD在计算强子性质、检验标准模型以及探索新物理方面所起的关键作用——特别是通过精确预测μ子g-2、强子真空极化和电偶极矩，利用领导级和高容量计算资源，实现关键可观测量的亚百分之一精度。

ABSTRACT

Contribution from the USQCD Collaboration to the Proceedings of the US Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021).

研究动机与目标

• 评估格点QCD在精确粒子物理领域当前及未来的计算需求。
• 倡导持续投资于领导级和高容量计算资源，以支持格点QCD模拟。
• 识别格点QCD可提供决定性预测的关键物理目标，包括μ子g-2、强子真空极化和电偶极矩。
• 支持为格点场论开发新的计算工作流与算法，特别是针对量子模拟和机器学习等新兴领域。
• 通过专用集群和灵活的资源分配政策，确保早期职业研究人员能够公平获取计算资源。

提出的方法

• 利用领导级超算系统上的大规模格点QCD模拟，实现强子矩阵元和关联函数的高精度计算。
• 使用高容量计算集群对数百万个关联函数文件进行统计分析，以估算系统性不确定性。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛方法生成具有可控统计误差的规范组 config，每条轨迹涉及数百万个大型线性系统求解。
• 在高容量领导级系统上实施自动化、工业化的计算工作流，以最大化模拟效率。
• 在USQCD集群上开发并测试新的计算策略，这些集群支持灵活的交互式工作负载，对算法创新至关重要。
• 整合机器学习与量子计算技术，以加速模拟并探索格点场论中的新理论框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 格点QCD如何实现对μ子反常磁矩预测的亚百分之一精度？
• RQ2 在减小系统性不确定性的前提下，模拟大体积格点与细网格间距的最优计算策略是什么？
• RQ3 如何最优利用高容量计算资源，分析多个组态下强子关联函数的统计特性？
• RQ4 格点QCD在约束电偶极矩和探测标准模型之外的CP破坏方面可发挥何种作用？
• RQ5 如何将新兴技术如量子模拟和机器学习整合到格点场论中，以提升计算效率和预测能力？

主要发现

• 在领导级计算设备上进行的格点QCD模拟现已可实现(6 fm)³大小、细网格间距的格点，从而实现强子可观测量的高精度计算。
• 对μ子g-2的强子真空极化贡献的计算，已在最先进组态上达到约1%的精度水平。
• 高容量计算对数百万个关联函数文件的统计分析至关重要，这些分析是格点结果系统性误差估计的基础。
• USQCD集群已支持开发针对小到中等规模格点的新模拟策略与工作流，促进了创新并支持了初级研究人员的培养。
• 机器学习与量子模拟技术的整合已显示出加速格点场论计算和降低计算成本的潜力。
• 领导级计算资源最适合成熟、自动化的计算工作流，而高容量系统在交互式、以不确定性为导向的分析与算法开发中至关重要。