氘核图像结合状态，红色代表质子，蓝色代表中子。图片来源：美国能源部Andy Sproles / ORNL

自1930年代以来，科学家一直在使用粒子加速器来深入了解物质的结构和控制我们世界的物理定律。这些加速器是一些可用的最强大的实验工具，可以将粒子推进到接近光速的状态，然后碰撞它们，以使物理学家能够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-强子是由两个或多个称为夸克的粒子组成的质子或中子等亚原子粒子。夸克是宇宙中最小的粒子之一，它们仅携带分数电荷。科学家对夸克如何构成强子有一个很好的主意，但是很难弄清各个夸克的性质，因为无法在其各自的强子之外观察到它们。

利用位于能源部橡树岭国家实验室的Summit超级计算机，由托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的科斯塔斯·奥吉诺斯(Kostas Orginos)和威廉与玛丽(William&Mary)领导的核物理学家团队开发了一种用于测量强子中夸克相互作用的有前途的方法，并将其应用用接近物理质量的夸克进行模拟的方法。为了完成仿真，该团队使用了一种强大的计算技术，称为晶格量子色动力学(LQCD)，以及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。

哥伦比亚大学的博士后研究科学家，论文的主要作者乔·卡尔皮说：“通常，科学家在质子中只知道夸克的能量和动量的一小部分。” “这并没有告诉他们夸克可能变成另一种夸克或粒子的可能性。过去的计算依靠人为的大质量来帮助加快计算速度，而现在我们已经能够在非常接近物理质量的条件下对它们进行模拟，并且我们可以将这一理论知识应用于实验数据，以更好地预测亚原子。”

该团队的计算将补充在美国能源部即将进行的电子离子对撞机(EIC)上进行的实验，EIC是在布鲁克海文国家实验室(BNL)建造的粒子对撞机，它将提供详细的空间和动量3D地图，以显示亚原子粒子在质子内部的分布方式。 。

了解单个夸克的性质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。玻色子是与希格斯场有关的基本粒子，希格斯场是粒子物理学理论中的一个场，它赋予与之相互作用的物质质量。该方法还可用于帮助科学家了解由弱力控制的现象，该弱力是造成放射性衰变的原因。

最小规模的仿真

为了准确描绘夸克的工作原理，科学家通常必须对夸克在其各自质子内部的性质进行平均。利用对撞机实验的结果，例如BNL的相对论重离子对撞机，CERN的大型强子对撞机或DOE即将推出的EIC，可以提取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相互作用的数量，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的长期挑战。

BálintJoó最近加入了该实验室的橡树岭领导力计算设施(DOE科学办公室的用户设施)的工作人员。为了解决这个问题，Joó转向了用于点阵QCD和NVIDIA QUDA库的Chroma软件套件。莱迪思QCD通过将时空表示为配制夸克和胶子场的网格或格子，使科学家能够在计算机上研究夸克和胶子(将夸克保持在一起的基本胶状颗粒)。Joó使用Chroma和QUDA(用于CUDA上的QCD)，在一个时空立方体中生成了强力场的快照，并对快照进行加权以描述夸克在真空中的行为。然后，其他团队成员拍摄了这些快照，并模拟了夸克在强力场中移动时发生的情况。

Joó说：“如果将夸克放入该磁场中，其传播方式类似于将电荷注入电场中导致电流通过电场传播的方式。”

在美国能源部的创新和新型计算对理论和实验计划的影响下，以及在科学发现，高级计算计划和Exacale计算项目的支持下，该团队将传播器的计算结果进行了合并，并使用Summit进行了合并然后可以用来提取结果的最终粒子。

“我们在模拟中设置了所谓的裸夸克质量和夸克-胶子耦合，”Joó说。“由这些裸值产生的实际夸克质量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实际已知的夸克质量进行比较，”

通过物理实验，研究小组知道，他们所模拟的最轻的物理粒子-介子或介子-的质量应约为140兆电子伏特或MeV。研究小组的计算范围从358 MeV下降到172 MeV，接近介子的实验质量。

由于团队必须生成真空快照的数量以及需要在其上计算的夸克传播器的数量，因此模拟需要Summit的强大功能。为了估计夸克的质量结果，需要对三种夸克的质量进行计算并外推到物理夸克。团队总共在三个不同的夸克块中使用了1000多个快照，这些块在空间中的点阵范围为32 3到64 3点。

Karpie说：“仿真中夸克的质量越接近现实，仿真就越困难。” “夸克越轻，我们的求解器就需要进行更多的迭代，因此，达到物理夸克质量一直是QCD面临的主要挑战。”

算法的进步带来了新的机遇

自2007年以来一直在OLCF系统上使用Chroma代码的Joó表示，这些年来算法的改进促进了在物理量上运行模拟的能力。

他说：“诸如多重网格求解器的算法改进及其在高效软件库(例如QUDA)中的实现，再加上可以执行它们的硬件，使得这类仿真成为可能。”

尽管Chroma是他的基本代码，但Joó说，代码开发的进步将继续为解决粒子物理学中的新挑战问题提供机会。

他说：“尽管这些年来一直使用相同的代码，但新事物仍然在幕后发生。” “总会有新的挑战，因为总会有新的机器，新的GPU和新的方法可供我们利用。”

在未来的研究中，研究小组计划探索胶子，并获得具有各种成分的质子的完整3D图像。

这项研究由美国能源部科学办公室资助。