跳动城乡网虽然核物理学家知道强相互作用是物质核心粒子结合在一起的原因，但我们对这种基本力还有很多需要了解的地方。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》上发表了研究成果，使我们更接近理解强相互作用之谜的一个重要部分。
这部分被称为西格玛介子。与更熟悉的质子和中子一样，西格玛介子由夸克组成。它是在两个其他基于夸克的粒子(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身，形成西格玛介子。
这种粒子很不稳定，而且寿命最短，在极短的几分之一秒内就会衰变成一对介子。这使得利用加速器实验数据来研究西格玛介子变得十分困难，尽管人们认为它在许多核物理过程中发挥着重要作用，包括质子和中子的相互作用。
“西格玛一直都是个怪人，”作者约瑟夫·杜德克(JozefDudek)说道，他是杰斐逊实验室的联合研究员，也是威廉玛丽学院的副物理学教授。“我们无法用简单的传统方法可靠地确定它的性质。”
西格玛介子的质量是质子的一半，是参与强力作用的最轻的不稳定粒子。研究最轻尺度上的强相互作用将有助于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会在这里非常重要，”作者ArkaitzRodasBilbao说道，他是杰斐逊实验室的联合任命的研究员和欧道明大学的助理物理学教授。“我们是由什么粒子结合在一起的?我们能否知道我们每个人体内正在发生的一切，直到最基本的层面?”
sigma的超级计算
Dudek、RodasBilbao和杰斐逊实验室首席研究员RobertEdwards联手领导了一项研究西格玛介子的研究工作。他们认为，更好地描述西格玛介子的最佳机会来自另一种工具：超级计算。
罗达斯·毕尔巴鄂说：“我们的想法是依靠超级计算机来创建虚拟实验。”
超级计算机使科学家能够更快地进行复杂的计算。将计算步骤分摊到组成超级计算机的数千台计算机中意味着可以一次完成许多步骤，从而节省时间。一台笔记本电脑需要数百到数千年才能完成这个项目的计算。
罗达斯·毕尔巴鄂说：“如果我希望在项目完成时还活着，最好使用超级计算机。”
研究小组利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必需的介子-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无法用代数方法求解，而使用超级计算机来克服这一问题时，必须牺牲一些基本原理。在这项研究中，作者首次能够以称为“色散关系”的数学约束形式重新引入这些原理。
协作计算
这一技术挑战需要罗达斯·毕尔巴鄂(RodasBilbao)的专业知识，他之前研究过色散关系，并在威廉玛丽学院担任博士后研究员参与了该项目。
该挑战还需要杜德克和爱德华兹在QCD数值计算方面的经验。
这三人是强子谱合作组织(HadSpec)的成员，这是一个规模虽小但国际化的团队，起源于杰斐逊实验室，以及奇异强子(ExoHad)专题合作组织，该组织研究奇异粒子。这项工作是ExoHad合作的一个里程碑，它体现了该组织希望建立的关系类型。
“这个想法就是将各种技能结合起来，共同解决任何一个人都无法独自解决的问题，”ExoHad的联合首席研究员杜德克说。“如果没有SciDAC的支持，我们根本无法进行计算。”
爱德华兹领导着美国能源部赞助的软件项目“百亿亿次级及以上的基础核物理”，该项目属于高级计算科学发现(SciDAC)计划。
“这项努力使我们能够尝试开发先进科学计算或高性能计算所需的工具。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项目的核心，”爱德华兹说。“正是通过这些计算资源，我们才能够开展科学研究，因此它是我们整个过程不可或缺的一部分。”
这项研究中使用的技术组合可以扩展到研究类似于西格玛的神秘粒子，例如卡帕粒子。如果一个介子与一个介子相互作用，而不是与另一个介子相互作用，它可以形成一种中间粒子，称为卡帕粒子，其存在和性质甚至比西格玛粒子更不明确。
这项研究也为进一步研究西格玛分子开辟了道路，西格玛分子的内部结构至今仍是一个谜。然而，要了解西格玛分子的复合性，还需要更复杂的计算。
“因此，第一步，也就是这一步，必须尽可能的合理和准确，”罗达斯·毕尔巴鄂说。
这些计算的一个限制是，它们赋予夸克(也就是介子)比这些粒子实际拥有的质量更大。这使得计算更加实用，但在未来的研究中，这些质量必须更接近其真实值。
“最终你必须将这些参数设置为正确的值，”杜德克说。
尤其如此，因为杰斐逊实验室理论中心的研究成果会为实验室的实验人员提供信息，而理论学家们与实验人员密切合作。在任何有两个介子的实验中，都会感受到西格玛的影响。
他说：“我们所做的一切都是为了实验计划。”
但这“第一步”是一个良好的开端。
