Quantum Chromodynamics on Lattice: Direct Minimization of QCD-QED-Action with New Results

This paper describes a new numerical QCD calculation method (direct minimization of QCD-QED-action) and its results for the first-generation (u, d) hadrons. Here we start with the standard color-Lagrangian LQCD = LDirac + Lgluon, model the quarks qi as parameterized gaussians, and the gluons Agi as Ritz-Galerkin-series. We minimize the Lagrangian numerically with parameters par = (par (q), {αk}, par (Ag)) for first-generation hadrons (nucleons, pseudo-scalar mesons, vector mesons). The resulting parameters yield the correct masses and correct magnetic moments for the nucleons, the gluon-distribution and the quark-distribution with interesting insights into the hadron structure.

相对论重离子碰撞中确定QCD相边界的若干问题

为了从相对论重离子碰撞实验确定量子色动力学(Quantum Chromo-dynamics,QCD)所预言的相变临界点和相边界,必须考虑实验数据中非临界涨落、有限系统尺度、有限演化时间的影响。本文综述了这三方面工作的主要内容、结果和意义。对于非临界涨落,主要讨论了由于有限事件数对观察量测量的影响,估计了在相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy-Ion Collider,RHIC)能量扫描区,精确测量高阶守恒荷高阶矩所需要的事件数。提出用泊松分布描述有限末态粒子数所致的统计涨落,将统计涨落和实验结果比较,发现统计涨落贡献为主,必须扣除泊松主导的统计涨落。提出混合事件方法,定义动力学累积矩为原始样本的累积矩减去混合样本的累积矩,利用多相输运模型(A Multiphase Transport Model,AMPT)的default模型重建了一个与之相对应的混合事件样本,结果表明:动力学累积矩确实能很好地扣除泊松样的统计涨落,尤其是中心度bin宽度和探测器效率的影响。对于有限系统尺度的影响,利用三维三态Potts模型研究了各种有限系统尺度下,它的磁化强度的高阶感应率在一级相变、临界点,以及平滑过渡区域的行为。发现在固定外场,穿越相边界的时候,从二阶到六阶磁化率都会出现非单调行为,或符号的变化,而且在三个相变区域,非单调行为类似。因此,仅从非单调行为不能区分不同级数的相变。进一步研究了磁化率的有限尺度标度行为,它们的标度指数在不同级数相变中是不一样的,可以区分不同级数的相变。根据观测量的有限尺度标度性,给出了用固定点确定临界参数的定量方法,并将该方法应用到三维三态Potts模型模拟产生的数据分析,展示了方法的精确有效性。对于非平衡演化的影响,采用Metropolis算法模拟了三维Ising模型在临界点附近从非平衡到平衡的演化过程。发现其序参量在演变过程中以指数形式趋近其平衡值,这与动力学朗之万方程给出的结果相同。临界温度下的平均弛豫时间随系统尺度的z次幂发散,表明它能很好地表示动力学方程中的弛豫时间。非平衡演化过程中序参量的三阶矩和四阶矩会出现正、负值震荡,符号取决于观测时间,结果与平滑过渡区动力学模型一致。研究还发现,在平滑过渡区,非平衡演化持续时间非常短,非平衡对观察量的影响非常弱;但是在一级相变线上,非平衡弛豫的时间非常长,非平衡豫影响不可忽略。这些定性特征对实验确定QCD的临界点和相边界具有重要的指导意义。

相对论重离子碰撞中QCD相图的实验研究

量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)相图结构和相变临界点是高能物理理论和实验的研究热点。相对论重离子碰撞是探索QCD相图结构、寻找QCD相变临界点的有力工具。美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)是目前世界上进行高能重离子碰撞的大型实验装置之一,其中的STAR(Solenoidal Tracker at RHIC)实验致力于高温高密条件下夸克胶子等离子体(Quark Gluon Plasma,QGP)性质以及QCD相结构的实验研究。本文着重介绍近年来RHIC-STAR能量扫描实验中运用守恒荷高阶矩和轻核产生寻找QCD相变临界点的研究进展,最后将对高重子密度区QCD相结构的未来研究做出展望。

QCD因子化框架下B-_(d,s)→D_(d,s)P衰变过程的研究

在考虑幂次压低且不忽略c夸克和D介子质量的条件下,采用光前夸克模型结果作为输入,在QCD因子化(QCDF)框架下给出了B-^(0)_((s))→D^(+)_((s))K^(-)和B^(0)_((s))→D^(+)_((s))π^(-)中旁观者和湮灭图的贡献大小.旨在解释这两个衰变道中理论预言与实验测量存在4σ~5σ偏差的问题.研究结果表明,旁观者和湮灭图贡献对这一偏差有一定的改善,但理论与实验之间的偏差仍然比较明显.

重离子碰撞中的轻核产生和QCD相变

寻找量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)相变信号是当前重离子碰撞实验的一个基础科学目标,对理解强相互作用物质的性质、大爆炸初期的宇宙演化、超新星的爆发机制、致密星的内部结构以及双中子星并合产生的引力波等重要前沿问题都具有重要意义。当重离子碰撞中发生非连续QCD相变时,引发的强相互作用物质的密度涨落与关联可以通过轻原子核的产额观察量来探测。核子间的多体关联决定了重离子碰撞中轻核的产额。特别地,基于核子并合模型对于轻核产额的计算表明质子(p)、氘核(d)和氚核(t)的产额比值N_(t)N_(p)/Nd_(2)敏感于核子密度涨落与关联,是一个较好的寻找QCD相变信号的可观测量。进一步,基于输运模型对于重离子碰撞中的手征相变的模拟发现,当系统的相轨迹经过一阶相变区域时,轻核产额比值N_(t)N_(p)/Nd_(2)有明显增加。这些结果为利用重离子碰撞中的轻核产生寻找QCD相变提供了理论依据。

强磁场下的格点QCD研究进展

本文综述了近期利用格点量子色动力学对强磁场下量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)性质的研究进展。首先介绍了在格点上如何引入磁场,重点阐述零温下QCD的手征性质、QCD相转变温度及反磁催化,以及强磁场下QCD相结构,最后给出总结。

QCD临界点附近的动力学临界涨落

探寻量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)相图的临界点是相对论重离子碰撞实验低能量扫描(Beam Energy Scan program in Relativistic Heavy-Ion Collisions,RHIC-BES)项目的重要实验目标。初步的实验探测发现了净质子数涨落随着对撞能量的非单调行为,定性上符合基于静态模型的理论预言,这暗示着QCD临界点的存在。由于相对论重离子碰撞是一个高速膨胀的体系,动力学效应能显著地改变QCD临界点附近的临界涨落。为最终确定QCD临界点的存在以及研究QCD在有限温有限密区域的相结构,人们发展了一系列QCD临界点附近的动力学模型。本文回顾了近年来关于寻找QCD临界点在实验测量和理论模型的进展,着重强调在临界点及一级相变区域动力学模型的发展和挑战。

ARM处理器上的格点QCD计算与优化

格点量子色动力学(格点QCD)是高能物理领域中需要大规模并行计算的最主要应用之一,相关研究通常需要消耗大量计算资源,核心是求解大规模稀疏线性方程组。文中基于国产鲲鹏920 ARM处理器,研究了格点QCD的计算热点Dslash,并将其扩展到64个节点(6 144核),展示了格点QCD计算的线性扩展性。基于roofline性能分析模型,发现格点QCD是典型的内存限制应用,并通过将Dslash中的3×3复幺正矩阵根据对称性压缩,将其性能提升约22%。对于大规模稀疏线性方程的求解,在ARM处理器上探索了常用的Krylov子空间迭代算法BiCGStab,以及近年来发展起来的前沿的multigrid算法,发现即使考虑预处理时间,在实际物理计算中使用multigrid算法相比BiCGStab依然有几倍至一个数量级的加速。此外,还考虑了鲲鹏920处理器上的NEON向量化指令,发现将其用于multigrid计算时可以带来约20%的加速。因此,在ARM处理器上使用multigrid算法能极大地加速实际的物理研究。

重离子碰撞中守恒荷涨落与QCD相变的输运模型研究

相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)-STAR(Solenoid Tracker at RHIC)实验测量了√s_(NN)=7.7~200 GeV能量下Au+Au碰撞中的净质子(净重子的代表)、净电荷和净K介子(净奇异数的代表)多重数分布的累积量,发现净质子四阶累积量与二阶累积量之比(κσ^(2))呈现出了非单调的能量依赖性行为。在相对论重离子碰撞实验中只能测到末态粒子的信息。因此,基于多相输运(A Multi-Phase Transport,AMPT)模型对Au+Au碰撞系统中守恒荷(重子数、电荷数和奇异数)的涨落性质进行了研究,发现AMPT模型的结果基本能描述RHIC-STAR实验结果。更重要的是,利用AMPT模型了解了相对论重离子碰撞动力学演化过程中几个关键效应(守恒荷粒子的产生和扩散、强子化、强子再散射和弱衰变)对守恒荷涨落演化及其粒子关联函数的影响。发现正负电荷之间关联可能源于弦熔化机制,重子(质子)关联函数符合重子数守恒期望,奇异数(净K介子)的关联函数源于对产生,这些代表量与守恒荷的对应关系行为上定性一致,但数量不同。虽然AMPT模型目前缺乏临界涨落机制,但我们的结果可以为守恒荷涨落的研究提供一条基线,这有助于在相对论重离子碰撞中寻找量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)临界点(Critical End Point,CEP)附近可能的临界行为。初步在模型中考虑临界密度涨落,结果发现它起着一定的作用。

BEST合作组QCD相图研究进展

能量扫描理论合作组(Beam Energy Scan Theory Collaboration,BEST)的目标是建立一个可以描述美国相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy-Ion Collider,RHIC)上第二期能量扫描实验的动力学框架。该实验有可能找到强相互作用相图上的临界点。本文总结自2016年起,BEST合作组取得重要进展,并对未来探索中高密度区相图做了展望。

基于有效场论的QCD相图研究

量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)相图是高能核物理领域研究的前沿热点。本文基于有效场论的方法,包括Nambu-Jona-Lasinio模型和Dyson-Schwinger方程等,介绍了近期QCD相图研究的多方面进展,包括利用高阶磁化率寻找相变信号,手征不平衡、有限体积和旋转等对相图的影响,以及QCD物态方程在致密星体中的应用。研究发现,重子数高阶涨落的理论结果与实验测量的质子数高阶矩可以较好地符合;手征不平衡、有限体积和旋转对手征凝聚和相图结构都有一定的影响;从有效场论的QCD物态方程出发,可以给出符合脉冲星观测的结果。

QCD临界终点与重子数扰动

相对论性重离子对撞的目的之一是寻找量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)临界终点(Critical End Point,CEP),实验中测到的净质子数扰动呈现出非单调的行为,这暗示了CEP的存在。本文使用了3味PNJL(Polyakov-loop Nambu-Jona-Lasinio)模型,沿着从实验数据中拟合的化学冻结线,计算了重子数扰动累积量之比C4/C2随对撞能量的变化。结果发现,基于平衡态假设,在对撞能量7.7~200 GeV范围内,随着对撞能量的降低,C4/C2先缓慢下降后上升,这与实验数据一致。这也暗示平衡态假设可以用于探索重离子对撞后系统的演化行为,揭示了相变线跟化学冻结线的关系对观测量的影响非常重要。

基于机器学习的重离子碰撞中QCD相变的研究

高能重离子碰撞将夸克和胶子从原子核中释放出来,形成一种新的核物质形态,即解禁闭的夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasma,QGP)。研究普通核物质或强子共振气体到夸克胶子等离子体的相变,需要在超级计算机上数值求解格点量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)。但是,格点QCD只能给出零重子化学势以及附近可泰勒展开区域的核物质状态方程,并预测这种条件下QGP到强子共振气体之间的相变为平滑过渡。在不能做泰勒展开的有限重子化学势区域,格点QCD会遭遇著名的符号问题,无法给出有效的核物质状态方程以及QCD相变类型。本文综述了利用机器学习在核物质状态方程、相变分类以及临界点寻找方面的研究。这些研究大致分为两类:第一类在高能重离子碰撞实验数据以及相对论流体力学模拟和分子动力学模拟中,利用核碰撞末态粒子分布来确定核物质状态方程以及相变种类;另一类是利用机器学习直接帮助格点QCD的采样,解决有限密系统中的符号问题。

极强磁场与QCD相图

本文总结了极强磁场下量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)相变的研究现状和许多新进展,包括格点QCD和有效手征模型的计算结果。涉及的QCD相如下:手征对称性破缺、手征对称性恢复、非均匀手征相、π0凝聚、π超流、ρ凝聚以及色超导。除了强磁场B外,这些相的实现和相互转化还要同时考虑其他效应的共同作用,比如温度T、强电场E、各种化学势μ或转动角速度Ω等。与之对应,介绍一些由磁场和这些物理参量共同张成的相图:T-B相图、E-B相图、μB-B相图、μI-B相图以及Ω-B相图,并阐述相变背后的物理机制。

QCD相变的戴森-施温格方程方法研究

量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)在有限温度有限密度平面内具有丰富的相结构,关于相边界曲线、临界终点(Critical Endpoint,CEP)的位置以及各相的热力学性质、状态方程等的研究是目前理论和实验上的重点问题,寻找QCD相变信号,特别是确定CEP的位置,成为了相对论性重离子对撞机当前和未来实验计划的主要目标。本文简要小结在QCD的戴森-施温格方程(Dyson-Schwinger equation,DSE)方法框架下,关于手征对称性恢复相变和退禁闭相变研究的进展和主要结果,着重介绍关于DSE的截断方案的探索和完善、QCD相变的手征磁化率判据和推广的施温格(Schwinger)函数判据、及由之确定的手征和禁闭两种相变的相图。DSE方法预言的手征相变的CEP位置大致位于(T,μB)(110,600) MeV,与泛函重整化群等方法预言的结果一致。这些结果对于重离子对撞实验搜寻CEP信号具有指导价值。

微扰QCD下B_(s)^(0)→π^(+)π^(-)K^(0)衰变过程直接CP破缺的研究

用微扰QCD的方法探究B_(s)^(0)→π^(+)π^(-)K^(0)三体衰变过程的CP破缺。在该过程中,首先考虑ρ-ω-φ共振效应的影响,在忽略高阶项的贡献后可得到其主要的衰变过程,进而可以写出该过程的振幅表达式,通过计算可得B_(s)^(0)→π^(+)π^(-)K^(0)三体衰变的CP破缺值可达到36%。

The QCD Ground State Chiral Tetrahedron Symmetry

We propose that the exotic meson tetraquark ud~dũintroduced in previous papers, may be a pseudo-Goldstone boson having a tetrahedron geometry and symmetry. The transition from the neutral pion superposition of two free mesons, dd~ and uũ, to the tetrahedron geometry with optional two chiral states may be the symmetry breaking of the QCD ground state. The ud~dũtetrahedron mass may be calculated by measuring the β decay rate variability. We assume that electrons and positrons are composite particle exotic tetraquarks, dũdd~ for the electrons and ud~dd~ for the positrons and confined by the strong force. We propose that the QCD tetrahedrons play a central role in electron pairing mechanism in both chemical bond forming and superconductor Cooper pairs. We propose a hypothesis where the QCD ground state tetrahedrons play a central role in low energy physics where quark exchange reactions between particles and the QCD tetrahedrons via gluon junctions transfer all the forces. The QCD ground state ud~dũtetrahedrons hypothesis provides a symmetry breaking and a mass gap may be created by the ground state QCD tetrahedrons Bose-Einstein condensate.

用QCD因子化方法研究Bc→J/ψπ,η_c π,J/ψK,η_c K过程

在即将运行的LHC实验上可以观测到大量的Bc介子,使得对Bc介子的研究成为可能.本文用QCD因子化方法,对Bc→J/ψπ,ηcπ,J/ψK,ηcK进行唯象研究,给出它们的分支比,并对理论预言的不确定性进行分析.

用QCD因子化方法研究J/ψ→DP,DV过程

采用QCD因子化方法,研究了J/ψ介子两体非轻弱衰变过程,计算了J/ψ→DP,DV过程的分支比,其中,J/ψ→Dsρ,Dsπ过程具有相对较大的分支比.在未来的高统计量的重味物理实验中是最有希望被探测到的.

用微扰QCD方法研究B_c→J/ψπ过程

采用谐振子同的势模型下J/ψ波函数,在微扰QCD框架下,计算了Bc→J/ψπ过程的分支比,并对结果进行讨论.