[论文解读] 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 16

一句话总结

该格点QCD研究在π介子质量为0.30 GeV的2+1味格点QCD中，使用非微扰O(a)-改进的威尔逊夸克和岩崎规范作用，探究了轻核结合能的夸克质量依赖性。结果证实，所研究的所有核态——⁴He、³He、氘核（³S₁）和双中子（¹S₀）——均为束缚态，其结合能显著高于实验值，表明在此非物理夸克质量下，有效核子-核子相互作用更强。

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.

研究动机与目标

• 使用2+1味格点QCD在比以往研究更轻的π介子质量（0.30 GeV）下，探究轻核结合能的夸克质量依赖性。
• 确定在较重夸克质量下先前模拟中观察到的束缚态是否在接近物理点的更轻夸克质量下依然存在。
• 评估增强的结合能以及双中子束缚态的存在是否为较重夸克质量下的格点人为效应，还是格点QCD计算中系统性趋势的体现。
• 检查有限体积效应、激发态污染和格点间距效应等系统误差对轻核结合能计算的影响。
• 通过将夸克质量扫描扩展至mπ = 0.30 GeV并改进统计精度和体积控制，为未来在物理点的计算提供基准。

提出的方法

• 在β = 1.90下采用2+1味格点QCD，使用非微扰O(a)-改进的威尔逊夸克和岩崎规范作用，得到格点间距为0.08995(40) fm。
• 使用两个空间体积：48³×48和64³×64，分别对应4.3 fm和5.8 fm的物理尺寸，以研究能量移位的体积依赖性。
• 通过使用优化的投影以增强基态重叠，利用相关函数计算多核子基态与自由核子阈值之间的能量移位ΔEL。
• 应用吕舍尔公式，通过能量移位的体积依赖性提取散射参数，并区分束缚态与散射态。
• 利用ΔEL的体积依赖性进行无限体积外推，以估计热力学极限下的结合能。
• 通过将较小体积和较大体积的统计采样分别提高12倍和5倍，以抑制在更轻夸克质量下的统计误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2+1味格点QCD中，当π介子质量为0.30 GeV时，轻核（⁴He、³He、氘核和双中子）的形成是否依然存在？
• RQ2 在mπ = 0.30 GeV下，这些核的结合能是否显著大于其实验值？与之前在mπ = 0.51 GeV下的结果相比，这种差异是否依然存在？
• RQ3 在¹S₀（双中子）道中观察到的束缚态是否为较重夸克质量下的格点人为效应，还是真实反映了该夸克质量下核力的特征？
• RQ4 有限体积效应、激发态污染和格点间距效应等系统误差如何影响轻核结合能的提取？
• RQ5 在该夸克质量下，能量移位ΔEL的体积依赖性是否可可靠地用于区分多核子系统中的束缚态与散射态？

主要发现

• 通过能量移位ΔEL的体积依赖性，确认了所有研究的轻核——⁴He、³He、氘核（³S₁）和双中子（¹S₀）——均为束缚态。
• ⁴He的无限体积结合能估计为47(7)(+20/-11) MeV，与实验值28.3 MeV相近。
• ³He的结合能为21.7(1.2)(+13/-1.6) MeV，约为实验值8.48 MeV的三倍。
• 氘核（³S₁）的结合能为14.5(0.7)(+2.4/-0.8) MeV，约为实验值2.2 MeV的七倍。
• 在¹S₀（双中子）道中观察到一个束缚态，其结合能为8.5(0.7)(+1.6/-0.5) MeV，此结果在自然界中不真实存在。
• 在mπ = 0.30 GeV下，结合能值与mπ = 0.51 GeV下的结果变化甚微，考虑统计与系统误差后，³S₁道的最大相对差异仅为1.9σ。