作者雷切尔·麦克道尔，橡树岭国家实验室 这张氘的图像显示了红色的质子和蓝色的中子的束缚态
信用:安迪斯普劳斯/ORNL，美国
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能量的 自20世纪30年代以来，科学家们一直在使用粒子加速器来获得对物质结构和支配我们世界的物理定律的见解
这些加速器是一些最强有力的实验工具，将粒子推进到接近光速，然后与它们碰撞，让物理学家研究由此产生的相互作用和形成的粒子
许多最大的粒子加速器旨在提供对强子的理解——亚原子粒子，如质子或中子，由两个或多个称为夸克的粒子组成
夸克是宇宙中最小的粒子之一，它们只携带部分电荷
科学家们对夸克如何构成强子有一个很好的想法，但是单个夸克的属性很难梳理出来，因为在它们各自的强子之外无法观察到它们
托马斯·杰弗逊国家加速器设施的科斯塔斯·奥格尼斯和威廉·玛丽领导的核物理学家团队使用位于能源部橡树岭国家实验室的超级计算机，开发了一种很有前途的测量强子中夸克相互作用的方法，并将这种方法应用于使用接近物理质量的夸克的模拟
为了完成模拟，该团队使用了一种叫做晶格量子色动力学(LQCD)的强大计算技术，加上美国最快的超级计算机Summit的计算能力
研究结果发表在《物理评论快报》上
“一般来说，科学家们只知道夸克在质子中时能量和动量的一小部分，”该论文的主要作者、哥伦比亚大学博士后科学家乔·卡皮说
“这并没有告诉他们夸克变成不同种类的夸克或粒子的概率
尽管过去的计算依赖于人为的大质量来帮助加速计算，但我们现在已经能够在非常接近物理质量的情况下模拟这些，并且我们可以将这些理论知识应用于实验数据，以更好地预测亚原子物质
" 该小组的计算将补充在美国能源部即将推出的电子离子对撞机(EIC)上进行的实验，这是一个将在布鲁克海文国家实验室(BNL)建造的粒子对撞机，它将提供亚原子粒子如何在质子内部分布的详细空间和动量三维地图
了解单个夸克的特性可以帮助科学家预测当夸克与希格斯玻色子相互作用时会发生什么，希格斯玻色子是一种与希格斯场相关联的基本粒子，希格斯场是粒子物理理论中的一个场，它为与其相互作用的物质提供质量
这种方法也可以用来帮助科学家理解由弱力控制的现象，弱力是放射性衰变的原因
最小规模的模拟 为了描绘出夸克如何运行的精确图像，科学家通常必须对它们各自质子内部的夸克特性进行平均
利用对撞机实验的结果，比如BNL的相对论重离子对撞机、欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机或美国能源部即将到来的EIC，他们可以提取出夸克能量和动量的一小部分
但是，预测夸克与希格斯玻色子等粒子的相互作用量，以及计算夸克能量和动量的完整分布，仍然是粒子物理学中长期存在的挑战
巴林特·乔最近加入了实验室橡树岭领导计算设施的工作人员，这是美国能源部科学办公室的一个用户设施
为了开始解决这个问题，约求助于点阵QCD的色度软件套件和英伟达的QUDA库
晶格QCD使科学家能够在计算机上研究夸克和胶子——将夸克和胶子结合在一起的基本胶状粒子——方法是将时空表示为一个网格或晶格，在其上形成夸克和胶子场
利用色度和曲达(CUDA上的QCD)，约在一个时空立方体中生成了强力场的快照，对快照进行加权以描述夸克在真空中所做的事情
其他团队成员随后拍摄了这些快照，并模拟了当夸克穿过强力场时会发生什么
“如果你把一个夸克丢到这个场中，它的传播方式类似于把一个电荷丢到一个电场中，导致电流通过这个场传播，”乔说
在美国能源部创新和创新计算对理论和实验的影响项目的计算时间的资助下，以及通过高级计算项目和超大规模计算项目的科学发现的支持下，该团队采用了传播子计算，并使用Summit将它们结合起来，生成最终粒子，然后可以用来提取结果
“我们在模拟中设定了已知的裸夸克质量和夸克胶子耦合，”乔说
“实际的夸克质量是由这些裸露的值产生的，需要通过模拟来计算——例如，通过将一些计算出的粒子的值与现实世界中的对应粒子进行比较，这是实验上已知的
" 根据物理实验，研究小组知道他们模拟的最轻的物理粒子——称为π介子，或称π介子——质量应该在140兆电子伏左右
该小组的计算范围从358兆电子伏到172兆电子伏，接近实验质量的π介子
模拟需要Summit的力量，因为团队必须产生大量的真空快照，并且需要计算夸克传播子的数量
为了估计物理夸克质量的结果，需要在三种不同质量的夸克上进行计算，并外推至物理夸克
该团队总共使用了1000多张快照，拍摄了三个不同夸克质量的立方体，立方体的晶格在空间中从323到643点不等
“模拟中夸克的质量越接近现实，模拟就越困难，”卡皮说
“夸克越轻，我们的求解器需要的迭代次数就越多，因此获得物理夸克质量一直是量子化学领域的一个主要挑战
" 算法的进步带来了新的机遇 joo自2007年以来一直在OLCF系统上使用色度代码，他说，多年来算法的改进有助于在物理质量上运行模拟的能力
“像多重网格求解器这样的算法改进，以及它们在高效软件库中的实现，比如QUDA，与能够执行它们的硬件相结合，使得这种模拟成为可能，”他说
虽然色度是他的基本代码，但乔说，代码开发的进步将继续为解决粒子物理中的新挑战问题提供机会
“尽管这些年来一直在用同样的代码工作，但新的事情仍然在幕后发生，”他说
“总会有新的挑战，因为总会有我们能够利用的新机器、新图形处理器和新方法
" 在未来的研究中，该团队计划探索胶子，并获得质子及其各种成分的完整三维图像
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