偷听亚原子世界的特定对话
就像两个友好的邻居聚在一起喝杯咖啡聊天一样，我们亚原子世界中的微小粒子也会聚在一起进行某种对话。现在，核科学家正在开发工具，让他们能够听到粒子的喋喋不休的测试，并更多地了解它们是如何结合在一起形成我们可见的宇宙的。
Jozef Dudek是美国能源部杰斐逊佳博体育的一名科学家，也是威廉玛丽大学的物理学助理教授。他和他的同事们最近首次对一种叫做sigma的粒子进行了复杂的计算。他们在一月份的《物理评论快报》上发表了研究结果。
杜德克解释说：“sigma通常被认为是将质子和中子聚集在原子核中的力的一部分。”“你可以想象质子和中子之间存在一种力，这是由于它们之间的粒子交换。质子和中子可以交换的粒子之一是sigma。”
质子和中子之间的sigma粒子交换使它们能够通过强作用力进行交流。强力是将质子和中子结合成原子核的自然力。事实上，强作用力也是质子和中子形成的原因。
几十年来，核物理学家们一直在深入研究物质的核心，以揭示物质的构成要素，迄今为止，他们已经发现物质中最小的部分是夸克。形成一个质子需要三个夸克（形成一个中子需要三个夸克）。这些夸克被强力束缚在一起，同样是通过夸克之间的对话，表现为粒子交换。在这种情况下，夸克交换强力“胶水”——称为胶子的粒子。
所以，如果粒子能够直接通过强力胶子的交换进行交换，那将会怎样呢？事实证明，如果质子和中子真的靠得很近，它们可以通过简单的胶子交换来进行对话。但在一个宽敞的原子核中，需要其他粒子，包括sigma，才能有效地进行转换。
杜德克说：“在更大的距离上，考虑在核子之间交换介子是有意义的，介子是由夸克和胶子本身构成的，但在某种程度上被打包成有限的包。”
这些“受限包”可能是由夸克和胶子组成的介子，也可能是另一种被称为介子的介子，物理学家熟悉的介子是一种经常挂在原子核周围的粒子。
总而言之，质子和中子可以通过短距离的胶子、中距离的西格玛介子和远距离的介子的交换来进行交流。
计算物质的核心
如果这一切听起来相当复杂，那是因为事实就是如此。杜德克和他的同事是第一个直接从描述强作用力的理论中计算出sigma粒子的人，通过这种力相互作用的粒子以及这些相互作用的本质。这个理论被称为量子色动力学或简称QCD。
事实上，这些计算非常复杂，需要超级计算机才能完成。
杰斐逊佳博体育理论与计算物理中心的资深科学家罗伯特·爱德华兹（Robert Edwards）表示，量子cd计算需要几台超级计算机的全力投入。
第一部分的计算是在“泰坦”超级计算机上进行的，这是一台位于橡树岭领导计算设施的超级计算机，位于田纳西州橡树岭国家佳博体育的美国能源部科学用户设施办公室，以及位于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的蓝水超级计算机。
爱德华兹说，这些最初的计算被用来开发亚原子粒子环境的快照，或者QCD描述的空间“真空”。
“真空不是一个空无一物的地方，它充满了能量，”爱德华兹解释说。能量表现为电和磁的波动，可以认为是强力的粘合剂。所以，QCD所做的就是观察这些场在空间中每个点的强度。”
这些波动真空的快照可以想象成一个池塘的表面被雨淋着，雨滴在池塘上引起涟漪。池塘表面的每个快照对应于真空的快照。他说，泰坦超级计算机产生了485个快照。
看着场景上演
在计算的第二部分，夸克被添加到快照中。当夸克在真空中移动时，它们会对环境做出反应。它们可能的运动，被称为“传播者”，是用泰坦和蓝水超级计算机计算出来的。对于真空的每个快照，计算了80万个这样的传播子。
有了传播子，就有了几个不同的场景，来描述特定的夸克在时间中传播时如何相互作用。对于每一种情况，超级计算机计算出量子光盘理论中夸克可能以某种方式相互作用的概率。
“我们必须评估一个被称为相关函数的量。相关函数表明，你有一些夸克的构型，你正在观察它们在时间中的传播，”爱德华兹解释说。“这个相关函数有效地测量了夸克的初始构型和最终构型之间的相关性，或其强度。”
继续我们对池塘上雨滴的类比，现在想象一只橡皮鸭被添加到池塘里。相关函数的计算决定了橡皮鸭在池塘上从一个点漂浮到另一个点的可能性。
对485种配置中的每一种都进行了多次模拟，以确定每种场景的概率，产生了大约1500万个用于比较的结果。这些计算是在2016年春夏在杰斐逊佳博体育的LQCD集群上进行的。
西格玛开始活跃起来
在对所有的计算结果进行统计之后，研究人员发现，如果正确的夸克存在，那么强作用力确实可以产生sigma。
杜德克和爱德华兹说，几十年来，科学家们一直通过实验数据来观察西格玛粒子对其他亚原子粒子的影响，从而对它的短暂存在有所了解。现在，他们的计算为研究这种难以捉摸的粒子提供了一种新方法。
“这真的是理解西格玛是什么的第一步。它真的存在于理论中吗？显然，确实如此，”杜德克解释道。
在他们的计算中，西格玛的属性似乎与科学家们对现实世界的西格玛属性的期望相符。更重要的是，现在这些计算已经证明，将超级计算机应用于计算像sigma这样难以捉摸的粒子是可行的，这很可能为计算其他短寿命粒子打开大门。
“我们已经证明，我们可以证明它存在于QCD中。现在的问题是：它是什么？它是如何形成的？为什么这个东西会存在？有没有一种方法可以简单地理解它？”Dudek说。“既然我们有严格的技术来研究QCD这个对象，我们能解决这些问题吗？”这是未来的事情。”
研究难以捉摸的sigma可能会让研究人员第一次看到只存在于物质核心深处的强大力量的这一方面。如果你愿意的话，这可能会给他们提供一个窃听的机会，当宇宙力量在忙着建造我们的宇宙的时候。
这项研究得到了美国能源部科学办公室的部分支持。这项研究也是蓝水持续千万亿次计算项目的一部分，该项目由美国国家科学基金会和伊利诺伊州支持。收缩是在杰弗逊佳博体育进行的。
杰斐逊佳博体育是由 科学办公室 他是美国能源部的首席执行官。