物理学者は最初に陽子質量の「組成」を計算しました

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Anonim
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米国と中国の物理学者は、さまざまな効果に関連する陽子質量への寄与を最初に計算しました。格子QCDのフレームワークで実行される計算では、科学者は約27ペタフロップスの容量を持つTitanスーパーコンピューターを使用しました。その結果、研究者たちは、クォークの凝縮物が陽子の質量の約9%を提供し、クォークの運動エネルギーが32%、グルーオン場の強さが36%、異常な寄与が23%であることを発見しました。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。作品のプレプリントは、arXiv.orgのWebサイトに掲載されています。

宇宙のほとんどすべての物質は陽子と中性子で構成されており、これらは上向き(u)と下向き(d)のクォークで構成されています。陽子には2つのアップクォークと1つのダウンクォーク(uud)、中性子には1つのアップクォークと2つのダウンクォーク(udd)が含まれています。各クォークの質量は、ヒッグスメカニズムによって発生します。大まかに言えば、ヒッグスポテンシャルの特殊な形状により、電弱対称性が自発的に破られ、宇宙は粒子が「しがみつく」均一な場で満たされます。ダウンクォークはアップクォークよりも少し硬く「しがみつく」ので、それらの質量は大きくなります(5メガ電子ボルト対2)。このメカニズムの詳細については、「お誕生日おめでとう、LHC!」の資料をご覧ください。とヒッグス電弱対称性の破れのメカニズム。ただし、2つのアップクォークと1つのダウンクォークの質量を加算すると、陽子の「実際の」質量の1パーセントしか得られません。

この不一致は量子力学を使用して説明できるように思われます。陽子内部のクォークは非常に緊密に圧縮されているため、ハイゼンベルクの不確定性原理(Δx∙Δp〜ℏ)により大きな運動量が必要です。一方、運動量の大きい粒子は運動エネルギーが大きく、アインシュタインの式E = mc 2で質量に関係します。この式にプロトンのおおよその半径r〜10〜15メートルを代入すると、次のようになります。約600メガエレクトロンボルトの質量(大きな運動量の場合、クォークのエネルギーはE≈3pc〜3ℏc / rにほぼ等しくなります)。この値は、実験的に測定された値mp≈938メガ電子ボルトと大きさの順に一致します。残念ながら、陽子の半径を正確に決定することは不可能であるため、このような推論は定性的評価にのみ適しています。さらに、このアプローチでは、たとえば仮想クォークやグルーオンの交換など、さまざまな量子効果に関連する陽子質量への寄与を正確に区別することはできません。

実際、標準模型と量子色力学(QCD)に基づくより正確な現象論的推定は、陽子の質量が4つの異なる効果で構成されていることを示しています。まず、質量は、原子価(メイン)のuudクォークと「海」クォーク(仮想クォークと反クォークのペア)で構成されるクォーク凝縮体によって与えられます。これらのペアは、粒子が絶えず相互に交換しています。第二に、クォークの運動エネルギーとグルーオン場の強さを考慮する必要があります。これらは、ハイゼンベルグの関係を使用して定性的に捉えることができる用語です。最後に、QCDでは他の4つのクォーク(s、c、b、t-クォーク)に関連する異常を考慮する必要があるという事実のために、別の異常な寄与が現れます。これらの4つの貢献は、1995年にXiang-DongJiによって初めて定性的に強調されました。残念ながら、QCDは、その方程式を摂動的に解くことができないように、つまり、小さなパラメーターの観点から拡張することによって設計されています。特に、ファインマン図の計算は、高次の図が急速に発散するため、役に立たなくなります。したがって、長い間、物理学者はこれらの貢献の価値を定量化することができませんでした。

Yi-Bo Yangが率いる科学者のグループは、陽子質量への4つの寄与のそれぞれの値を初めて計算しました。これを行うために、研究者は格子QCDを使用して陽子を数値的にシミュレートしました。このアプローチでは、連続時空はクォークとグルーオンが存在する離散格子に置き換えられます。計算は有限の時間と空間のステップを使用するため、その結果は実際の結果とは異なります。それでも、その誤差が格子間隔に依存することを考慮に入れれば、答えは修正できます。明らかに、微小ステップの限界では、格子と連続QCDは一致します。残念ながら、格子QCDでの計算には多くのリソースが必要であり、要件は逆格子間隔の6乗に比例して増加します。さらに、計算の複雑さは粒子の数とともに指数関数的に増大します。したがって、初期の科学者は、個々のクォークまたは中間子(2つのクォークからなる粒子)しかモデル化できませんでした。 3つのクォークを含む数値計算が可能になったのは、最近のスーパーコンピューターが機能し始めたときです。特に、Yangのグループは、約27ペタフロップスのパフォーマンスを持つTitanスーパーコンピューターを計算に使用しました。

これらの計算では、科学者はグリッド243x64、323x64、および483x96を使用しました(最初の3つの数値は空間座標の格子ノードの数で、4番目は時間です)。紫外発散を補償するために、物理学者はM̅S̅(最小減算)正則化スキームを使用しました。その結果、研究者たちは、クォークの凝縮物が陽子の質量の約9%を提供し、クォークの運動エネルギーが32%、グルーオン場の強さが36%、異常な寄与が23%であることを発見しました。計算誤差は約4%でした。科学者たちは、彼らの結果が2ギガ電子ボルトのオーダーのエネルギーの現象論的予測と一致していることに注目しています。

昨年4月、χQCDグループは最初に陽子の全スピンに対するグルーオンの寄与を計算しました-科学者によると、それは絶対値の約半分です。これは、格子QCDが3クォークシステムをシミュレートするために首尾よく適用された最初の論文でした。それにもかかわらず、物理学者は、陽子の他の特性をすぐに計算できるようになることを望んでいます-今年の6月に、200ペットフロップ以上の出力を持つ新しいサミットスーパーコンピューターがオークリッジ国立研究所で発売されました。このコンピューターがフル稼働しているとき、その性能は、科学者が陽子のスピンと質量を計算したコンピューターよりも10倍から15倍速くなります。また、今年の4月には、格子QCD内での計算にも使用される予定の共同核研究所(ダブナ)で、容量が約0.6ペタフロップスのGovorunスーパーコンピューターが発売されました。

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