2018年理论物理所重要科研进展系列十九：从格点量子色动力学理解质子质量来源

几乎所有的已知可见物质的质量都来自于组成原子核的核子（质子与中子）。核子由夸克与胶子组成，Higgs粒子为夸克提供了质量，而胶子没有质量。但是Higgs为夸克模型中组成核子的上下夸克提供的质量，在核子尺度仅为核子质量的约1%。从量子色动力学（QCD）出发，夸克质量的贡献会被夸克凝聚的效应加强；而除了夸克质量的贡献，核子质量中还有夸克与胶子运动产生的动能贡献。同时，纯粹的量子反常效应也对核子质量有重要贡献。从实验方面来看，夸克质量贡献可以部分地基于πN散射推测，夸克与胶子的能量贡献可以综合深度非弹性散射的各种实验推测，而反常贡献的相关测量是中美筹建中的电子粒子对撞机的设计目标之一。但是由于QCD本身在核子尺度上无法解析计算的特性，上述分解方案在20多年前被提出后，其理论定量计算长期以来是一个空白。

中科院理论物理研究所杨一玻副研究员在密西根州立大学工作期间就与χQCD合作组展开合作，与来自肯塔基大学的梁剑博士（共同一作）、刘克非教授和TerrenceDraper教授，以及中科院高能物理研究所的毕玉江博士、陈莹研究员和刘朝峰研究员，利用格点QCD方法，完成了对核子中三种轻夸克质量贡献、轻夸克与胶子动能贡献的精确计算，并据此推测了量子反常的贡献。相关论文近日发表在Phys. Rev. Lett. 121, 212001 (2018)，并得到了编辑推荐(Editor’sSuggestion)。

格点QCD方法将核子尺度的QCD问题转换一个定义在四维格子上的统计问题，提供了系统地进行精确数值计算的理论框架。但是实施这一计算，控制统计误差以及来自有限格距、有限体积及其他来源的系统误差，则需要大量的人力与算力；这一过程相当于在超级计算机上设计并建造“探测器”、收集并处理“实验”结果。以上述研究为例，χQCD合作组在六年除了大量人力，也投入了数亿CPU小时的计算资源。

将离散格子上的“实验”结果外推到连续时空上亦非易事，需要为核子质量各贡献的“实验”结果中的短程量子效应单独设计相应的“实验”。利用过滤长程无关“噪声”的思想和巧妙的算法设计，胶子短程效应“实验”所需的计算资源可以从全球算力总和级别降到几百万CPU小时。上述工作的作者们据此将格点QCD对质子质量中各贡献的“实验数据”，转换成为可以和加速器实验相互印证的结果。

上述研究的格点QCD数值结果在与加速器实验导出的结果符合的同时，也显示了夸克与胶子动能，以及量子反常对核子质量的贡献，在上下夸克质量小于奇异夸克质量大约一半的范围内，对夸克质量的变化不敏感。美国物理学会(APS)为上述研究邀请格点QCD专家André Walker-Loud在杂志《Physics》上撰文对公众加以解读。

https://physics./articles/v11/118，并设计了核子从夸克质量、反常和动能中获得质量的示意图(见下图)。