探索从太阳核心到大爆炸的量子场
2020-05-18
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质子如何融合为太阳提供动力？超新星爆发后正在坍缩的恒星内部的中微子会发生什么？大爆炸后的最初几分钟内，质子和中子如何形成原子核？
模拟这些神秘的过程需要一些极其复杂的计算，复杂的算法和大量的超级计算能力。
理论物理学家威廉·德特莫尔德（William Detmold）编组了这些工具，以“观察”量子领域。他说：“对这些过程的改进的计算使我们能够了解宇宙的基本性质。” “在可见宇宙中，大部分质量都是由质子制成的。对我来说，了解质子的结构及其性质似乎很重要。”
全球最大的粒子加速器大型强子对撞机（LHC）的研究人员通过将粒子粉碎在一起并遍历亚原子残骸来研究这些性质，以寻找组成物质并将其结合在一起的线索。
物理系副教授，理论物理中心和核科学实验室的成员戴特莫德（Detmold）则从第一原理（即粒子物理标准模型的理论）开始。
标准模型描述了粒子物理学的四个基本力中的三个（重力除外）和所有已知的亚原子粒子。
该理论成功地一次又一次地预测了实验的结果，其中最著名的也许是LHC研究人员在2011年确认了希格斯玻色子的存在。
Detmold研究的核心重点是来自LHC等实验的“前沿实验数据”。在设计了计算之后，在多台超级计算机上运行它们，并筛选出大量的统计信息（这个过程可能需要六个月到几年的时间），Detmold和他的团队然后“获取所有数据并进行了大量分析提取关键物理量，例如质子质量，作为不确定范围内的数值。”
“在这方面，我最关心的问题是这种分析将如何影响实验结果，” Detmold说。“在某些情况下，我们进行这些计算是为了解释大型强子对撞机进行的实验，并问：标准模型是否描述了那里发生的情况？”
Detmold在解决量子色动力学（QCD）的复杂方程方面取得了重要进展，该量子方程论描述了质子内部在夸克（物质的最小已知组成部分）和胶子（将它们结合在一起的力）之间的强相互作用。 ）。
他已经对某些粒子衰变反应进行了一些第一批QCD计算。在大多数情况下，它们与大型强子对撞机的结果非常吻合。
他说：“标准模型和大型强子对撞机结果之间并没有真正的明显差异，但存在一些有趣的紧张关系。” “我的工作一直在研究其中的一些紧张关系。”
启发提出问题
Detmold对量子物理学的兴趣可以追溯到他在澳大利亚阿德莱德长大的小学生时代。他回忆说：“我记得小时候读过许多科普读物，并对夸克，胶子和其他基本粒子很感兴趣，并希望进入数学工具中与它们一起工作。”
他将继续获得阿德莱德大学的学士学位和博士学位。在大学学习数学时，他遇到了一位教授，他对量子力学的奥秘睁开了眼睛。“这可能是我参加过的最激动人心的课程。我现在要教它。”
几年来，他一直在麻省理工学院教授有关量子力学的入门课程，并且他已经善于发现那些同样被该学科抓住的学生。“在每堂课上，学生在写问题集时都能看到热情从书页上滴下来。与他们互动非常令人兴奋。”
虽然他不能总是将研究的全部复杂性带入这些对话中，但他尝试以自己的企业精神灌输给他们：如何提出可能对宇宙深层结构产生新见解的问题。
他说：“您可以以启发学生从事研究并推动自己学习更多的方式来构架事物。” “很多教学都是关于激励学生去发现更多自己的东西，而不仅仅是信息传递。希望我能像我的教授启发我那样激励学生。”
他补充说：“由于我们所有人都呆在家里或偏远地区，我不确定现在是否有人会受到特别启发，但是这种大流行最终将结束，有时迷失在麦克斯韦方程式的复杂性中，这是一个很好的选择。打破世界上正在发生的事情。”
加强实验
当他不在教学或分析超级计算机数据时，Detmold通常会帮助计划更好的实验。
电子对撞机是一个计划在未来十年在长岛布鲁克海文国家实验室建造的设施，旨在增进对质子内部结构的了解。Detmold的一些计算旨在提供质子内部胶子结构的定性图，以帮助项目的设计人员根据检测某些数量的数量级来了解要寻找的内容。
他说：“如果您以某种方式设计它，我们可以做出预测。”
Detmold也已经成为编排复杂的超级计算项目的专家。鉴于超级计算能力和时间的有限可用性，这就需要弄清楚如何以有效的方式运行大量计算。
他和他的实验室成员已经开发出算法和软件基础结构，以在大型超级计算机上运行这些计算，其中一些超级计算机具有不同类型的处理单元，这使得数据管理变得复杂。“这本身就是一个研究项目，如何以有效的方式执行这些计算。”
确实，Detmold花时间研究如何改进解决方法。他说，新算法是推进计算以解决新问题，在标准模型的背景下计算核结构和反应的关键。
他说：“假设我们要计算一个数量，但是使用我们目前拥有的工具，运行一台大型超级计算机需要一万年的时间。” “想出一种新的方法来计算实际上可以做的事情，这很令人兴奋。”
激发对未知的兴趣
但是基本的谜团仍然是Detmold作品的核心。随着夸克和胶子彼此之间的距离越来越远，它们相互作用的强度也随之增加。为了了解在这些低能态下发生的事情，他进一步运用了称为晶格量子色动力学（LQCD）的计算技术，该技术将夸克和胶子的量子场放在离散的点网格上以表示时空。 。
2017年，Detmold及其同事对质子-质子聚变率进行了首次LQCD计算，这是两个质子融合在一起形成氘核的过程。
这个过程开始了驱动太阳的核反应。通过实验研究也极其困难。“如果您试图将两个质子粉碎在一起，它们的电荷就意味着它们不想彼此靠近，” Detmold说。
他谈到团队的突破时说：“它显示了该领域的发展方向。” “这是最简单的核反应之一，但是它为我们可以直接从标准模型中解决这些问题打开了大门。我们正在尝试以这项工作为基础，并计算相关的反应。”
最近的另一个项目涉及使用LQCD最早研究宇宙中核的形成。除了查看实际宇宙的这些过程外，他还进行了更改某些参数的计算-夸克的质量及其相互作用的强度，以便“预测” Big Bang核合成的反应如何发生以及它们发生了多少。可能已经影响了宇宙的发展。
“这些计算可以告诉您最终产生像我们看到的那样的宇宙的可能性有多大，” Detmold说。
