[论文解读] Nuclear Physics from Lattice Quantum Chromodynamics

Martin J. Savage|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 22被引用 5

一句话总结

本文综述了核物理领域格点量子色动力学（LQCD）的最新进展，表明在物理轻夸克质量下并引入动力学量子电动力学（QED）的计算如今已可行。预计未来的百亿亿次计算将使基于第一性原理的核性质预测成为可能，且不确定性可被完全量化，从而直接将量子色动力学（QCD）与核结构及反应联系起来。

ABSTRACT

Quantum Chromodynamics and Quantum Electrodynamics, both renormalizable quantum field theories with a small number of precisely constrained input parameters, dominate the dynamics of the quarks and gluons - the underlying building blocks of protons, neutrons, and nuclei. While the analytic techniques of quantum field theory have played a key role in understanding the dynamics of matter in high energy processes, they encounter difficulties when applied to low-energy nuclear structure and reactions, and dense systems. Expected increases in computational resources into the exascale during the next decade will provide the ability to determine a range of important strong interaction processes directly from QCD using the numerical technique of Lattice QCD. This will complement the nuclear physics experimental program, and in partnership with new thrusts in nuclear many-body theory, will enable unprecedented understanding and refinement of nuclear forces and, more generally, the visible matter in our universe. In this presentation, I will discuss the state-of-the-art Lattice QCD calculations of quantities of interest in nuclear physics, progress that is expected in the near future, and the anticipated impact.

研究动机与目标

• 总结当前在格点QCD（LQCD）领域中，从量子色动力学（QCD）出发，于物理轻夸克质量下计算核性质的进展。
• 强调LQCD在通过提供第一性原理输入，改进核力并指导实验核物理研究中的作用。
• 预测即将到来的百亿亿次计算对LQCD计算核系统（包括多核子态与超子态）的变革性影响。
• 展示在LQCD中引入动力学QED作为实现真实核物理预测的关键一步。
• 概述LQCD、核多体理论与实验计划之间的协同作用，以推进对可见物质的理解。

提出的方法

• 在有限格点上使用蒙特卡罗方法采样QCD路径积分，在欧几里得时空下执行LQCD计算，时空离散化。
• 利用有效场论（EFTs）将有限体积、有限格点间距的结果外推至QCD的无限体积、连续极限。
• 采用多种格点体积、间距和离散化方案，以量化可观测量中的系统性不确定性。
• 实现动力学费米子（最多n_f = 2+1+1，含顶夸克）和动力学QED，以逼近物理条件。
• 使用关联函数和变分方法提取强子及少体核系统的能级与矩阵元。
• 利用高性能计算（HPC）资源，包括领导级计算设施和SciDAC支持的软件，以实现大规模模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在物理轻夸克质量和动力学QED条件下，格点QCD计算能否准确再现核结合能与核子性质？
• RQ2 LQCD结果在多大程度上约束了核结构从QCD中涌现的机制，特别是核子集合的稳定性？
• RQ3 LQCD如何能为实验难以探测的非微扰强相互作用可观测量提供可靠且不确定性可量化的预测？
• RQ4 同位旋破坏效应（包括QED和上下夸克质量差异）在决定中子-质子质量差中起什么作用？
• RQ5 百亿亿次计算将如何实现对复杂核系统（如A=3和A=4核）的可控不确定性计算？

主要发现

• 格点QCD计算已发展到可在物理轻夸克质量下，结合动力学夸克与QED进行计算，标志着一个重大里程碑。
• BMW合作组成功利用动力学QED和夸克质量差异计算了中子-质子质量差，结果与自然界高度一致。
• 在物理夸克质量下对A=4结合能的计算表明，核物质中的结合能约为40 MeV，与一阶近似相互作用的预期一致。
• LQCD现可对强子谱学和核子结构产生精确结果，通过多种格点体积和间距，实现了系统性不确定性的量化。
• 在LQCD中引入动力学QED，使能够以高精度对同位旋破坏效应（如质子-中子质量差）进行第一性原理研究。
• 随着预百亿亿次和百亿亿次计算的部署，LQCD有望实现对核图中核力和可观测量的完全量化、第一性原理预测。