核函数的实部有助于 S0、Re K 的离散0l′0I′，以单位绘制，其中 y 轴上的 1 表示值 4mπ2.左列：在实数 s′ 轴上评估的函数，用于 s 的三个值——插图表示高能区域的行为。右列：针对 s 的复数值计算的核函数。图片来源：Physical Review D （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevD.109.034513
虽然核物理学家知道强相互作用是将物质核心的粒子结合在一起的原因，但我们仍然需要了解这种基本力。今年早些时候，美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施理论与计算物理中心的三位研究人员在《物理评论D》上发表的结果使我们更接近于理解强相互作用难题的重要部分。
这块被称为西格玛介子。像更熟悉的质子和中子一样，西格玛是由夸克组成的。它是在另外两个基于夸克的粒子（称为介子）碰撞时产生的。在这种碰撞中，介子的夸克可以通过强相互作用短暂地重新配置自己，形成西格玛介子。
这种粒子是不稳定的，是寿命最短的粒子之一，在深不可测的几分之一秒内衰变回一对介子。这使得使用加速器实验的数据来研究西格玛介子变得困难，尽管它被认为在许多核物理过程中发挥着重要作用，包括质子和中子之间的相互作用。
“西格玛是一个长期存在的怪人，”作者约瑟夫·杜德克（Jozef Dudek）说，他是杰斐逊实验室（Jefferson Lab）的联合任命的科学家，也是威廉玛丽学院（William & Mary）的物理学副教授。“我们无法用简单的传统方法可靠地确定其特性。
西格玛介子的质量是质子的一半，是与强力有关的最轻的不稳定粒子。在最轻的尺度上研究强相互作用将帮助物理学家弄清楚这种力如何在更重的尺度上形成我们和我们的世界。
“这对于从根本上理解我们为什么在这里很重要，”作者Arkaitz Rodas Bilbao说，他是杰斐逊实验室的联合任命的科学家，也是Old Dominion大学的助理物理学教授。“构成我们的粒子是如何粘在一起的？我们能从最基本的层面上了解我们每个人内心发生的一切吗？
面向 sigma 的超级计算杜德克、罗达斯·毕尔巴鄂和杰斐逊实验室首席科学家罗伯特·爱德华兹（Robert Edwards）联手领导了更多关于西格玛介子的研究工作。他们认为，更好地描述它的最佳机会来自不同的工具：超级计算。
“我们的想法是依靠超级计算机来创建虚拟实验，”Rodas Bilbao说。
超级计算机使科学家能够更快地进行复杂的计算。在组成超级计算机的数千台计算机之间划分计算步骤意味着可以同时完成许多步骤，从而节省时间。笔记本电脑需要数百到数千年的时间才能完成这个项目的计算。
“如果我想在项目完成后还活着，最好使用超级计算机，”Rodas Bilbao说。
该团队使用杰斐逊实验室和美国能源部橡树岭国家实验室的超级计算机，模拟了了解西格玛介子所需的介子-介子反应。这些计算基于量子色动力学（QCD），即描述强相互作用的理论。
QCD不能用代数求解，当使用超级计算机来克服这个问题时，必须牺牲一些基本原理。在这项工作中，作者首次能够以称为“色散关系”的数学约束的形式重新引入这些原理。
协同计算这一技术挑战需要Rodas Bilbao的专业知识，他之前研究过色散关系，并在William & Mary担任博士后研究员。
这项挑战还需要 Dudek 和 Edwards 在 QCD 数值计算方面的经验。
这三个人是强子光谱合作组织（HadSpec）的成员，这是一个起源于杰斐逊实验室的小型国际小组，以及奇异强子（ExoHad）局部合作组织，这是一个研究奇异粒子的小组。这项工作是 ExoHad 合作的一个里程碑，它体现了该小组想要建立的关系类型。
“这个想法是，你结合技能组合，共同解决谁都无法独自解决的问题，”ExoHad的联合首席研究员Dudek说。“如果没有SciDAC方面，我们也根本无法进行计算。”
Edwards 领导了美国能源部赞助的软件项目“百万兆次级及以后的基础核物理”，该项目属于“通过高级计算进行科学发现”（SciDAC） 计划。
“这项工作使我们能够尝试开发高级科学计算所需的工具，或者在这种情况下，高性能计算。我们开发的这些工具，软件和算法基础设施，现在实际上是我们科学计划的核心，“爱德华兹说。“正是通过这些计算资源，我们才能进行科学研究，所以它一直是我们整个过程中不可或缺的一部分。
这项工作中使用的技术组合可以扩展到研究类似于sigma的神秘粒子，例如kappa。如果一个介子与一个介子而不是另一个介子相互作用，它可以形成一个称为kappa的中间粒子，其存在和性质甚至比sigma的更不清楚。
这项工作还揭示了进一步研究西格玛的前进道路，其内部结构仍然神秘。然而，了解西格玛的复合性将需要更复杂的计算。
“所以，第一步，也就是第一步，必须尽可能合理和准确，”罗达斯毕尔巴鄂说。
这些计算的一个局限性是，它们赋予夸克和介子的质量比这些粒子在现实中的质量更大。这使得计算更加实用，但在未来的工作中，这些质量必须逐渐接近它们的真实值。
“最终你必须把这些参数放在正确的值上，”杜德克说。
这一点尤其正确，因为杰斐逊实验室理论中心的研究为实验室的实验人员提供了信息，理论家与他们密切合作。在任何有两个介子的实验中，都会感觉到西格玛的影响。
“我们所做的一切都融入了实验计划，”他说。
但这“第一步”是一个好的开始。
更多信息：Arkaitz Rodas 等人，确定交叉对称 ππ 散射振幅和受晶格 QCD 约束的σ的夸克质量演化，物理评论 D （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevD.109.034513
期刊信息： Physical Review D
