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素粒子分野における計算機物理 大野木哲也 （京都大学基礎物理学研究所） （１）素粒子分野の計算物理による 今までの成果は？ 1. 量子色力学（QCD)の検証 漸近自由性から閉じ込め、カイラル対称性の破れまで 2. ハドロンの性質の解明 ハドロンの内部構造、ハドロンの相互作用 3. クォークのミクロな相互作用の探求 フレーバー混合、CP対称性の破れ QCDの検証 格子QCDを用いて、漸近自由性から閉じ込め、カイラル対称性 の破れまで1つの理論で完全に説明できる。 カイラル対称性の 漸近自由性 ハドロン質量の再現 自発的破れの検証 強い相互作用の結合定数 Particle Data Group 2006 ハドロンの質量スペクトル CP-PACS/JLQCD 200７ Dirac 演算子の固有値分布 Banks-Casher関係式の検証 JLQCD 2007 ハドロンの性質の解明 核子のパートン分布関数 LHPC 2007 散乱の散乱長 S. Aoki’s talk at Lattice 2007 クォークのミクロな性質の解明 標準模型=Standard Model (SM)の小林益川クォーク混合行列にもとづく フレーバー混合、CP対称性の破れの検証 クォークの素過程とハドロン崩壊現象 とを結びつけるため、格子QCDによる ハドロン遷移行列の決定が不可欠 新しいフレーバー混合、CPの破れの可能性 •Treeの一般のフレーバー混合 •1-loopの一般的フレーバー混合 •TreeのMinimal フレーバー混合 •1-loopのMinimal フレーバー混合 新しい物理のフレーバー混合やCP の破れの機構に極めて強い制限 例：超対称性の破れの機構 小林益川行列に対する制限 これらの進歩は計算機とともに 計算手法と理論の進展による部分も大きい 格子QCDにおける大きな進展 • カイラル領域でのfull QCD シミュレーション 画期的なアルゴリズム(Domain-docomposition, Mass preconditioning, Multi-time scale Molecular Dynamics) • 厳密なカイラル対称性をもつフェルミオンの発見とそ の応用 Ginsparg-Wilson Fermion (Overlap, Domain-Wall) • 非摂動繰り込み 新しいスキームの提案、モンテカルロによる繰りこみ群（Step-scaling） • 重いクォークの新たな計算手法 無限に重いクォークの有効理論(HQET)とチャームクォーク領域との内挿 ひとつひとつの手法はどれも極めて有望。 しかし、計算能力の限界により、すべてを組み合わせた 究極の計算は存在しない。 新たな発展がまだまだ期待できる。 （２）三分野の連携の可能性は？ 「現象の理解」から「現象の予言」へ 新しい時代のスタートポイント 素粒子物理 •新しいダイナミクスの探求（複合ヒッグス模型、超対称性の破れ） •B中間子遷移行列の精密決定（HQET+チャーム１％－５％） •核子の内部構造の研究（パートン分布関数、EDM、シグマ項） •ハドロン崩壊、相互作用（K中間子崩壊、ミューオン異常磁気能率） ハドロン物理 •バリオン、Λ粒子の散乱位相(実験に代わる数値実験としての役割） •エキゾチックハドロン 素粒子物理学の現状 標準模型の未解決問題と新しい物理のヒント • 電弱対称性の破れの機構（ヒッグスの正体） Elementary scalar? 複合粒子？超対称性？ • 世代の構造と起源 これらはともにTeV領域の物理が鍵を握ると期待される • 宇宙論からの示唆（暗黒物質の存在） TeV領域のWeakly Interacting Massive Particle（WIMP)が有力候補のひとつ 新粒子の発見を目指す実験 LHC実験(陽子-陽子衝突） XMASS実験（核子-WIMP散乱） 暗黒物質探索 ヒッグス粒子 どのような発見があるか予想できない • 標準模型を超えるまったく新しいダイナミクスの発見の 可能性（超対称性、ヒッグスの複合模型など） 格子ゲージ理論による新しい模型のダイナミクス の探求 • 新しい物理の特定のための反応過程の精密な予言 超対称粒子 核子の中のクォーク・パートンの分布が重要 不定性のLHCにおける影響～２０％程度 世代構造やCP対称性の破れの起源を探る実験 Super B factory 個のB中間子対 小林益川行列の検証 ２０％精度 1％精度 新しい物理のフレーバー構造の探求 例：超対称性の破れの機構 格子QCDによるB中間子遷移行列の数％レベルの精密決定が必要 世代構造やCP対称性の破れの起源を探る実験 • K中間子実験 CP対称性の破れ ハドロン2体崩壊の決定 フレーバー非保存の崩壊 形状因子の超精密決定 • 中性子の電気双極子能率(EDM) CP対称性の破れ 核子内u,d,sクォークのEDMとChromo-EDM • ミューオンの異常磁気能率g-2 測定 QED補正(4-loopまで）におけるハドロン効果の決定 真空偏極, light-by-light scattering 今後5年の展望 • LHC時代の実験が示唆する新しいダイナミクスの研究 • B中間子を中心とするフレーバー物理の探求 – 1-5％レベルの精密計算によりMinimal Flavor Violation 模型の実験 的検証 • 核子内部の構造、軽いハドロンのフレーバー物理の探求 • ハドロン崩壊、ハドロン相互作用の研究 •原子核分野の基礎を与える。 •モンテカルロで生成されたゲージ配位は核子の相互作用の研究にも 使える共通の資産となる。 （３）専用計算機は必要か？可能か？ QCDにはbクォークまで含めると大きな階層性がある カイラル摂動有効理論 HQET • より軽く、より大きく： 軽いフレーバーの物理の研究 ハドロン散乱、崩壊の研究 • より細かく： 重いフレーバーの物理の研究 どちらの方向にも 倍の高速化が必要 格子QCDは専用計算機に向いている • 固定された正方格子, 最近接相互作用 • 特にFull QCDはノード内計算が主、ノード間通信は従 • 日本、アメリカ、ヨーロッパにおける専用計算機開発の伝統 筑波大 : QCD-PAXCP-PACS PACS-CS 計算機の現状 • • • • JLQCD PACS-CS UKQCD-RBC ETMC : BlueGene/ L 57TFlops 現在 : 専用計算機(Intel LV Xeon 2560 node) 14.7TFlops : 専用計算機（QCDOC）～30TFlops BlueGene/P ～1 PFlops 2008 ： APEmille 数TFlops BlueGene/P ～100TFlops 2008 日本の格子QCDコミュニティーが京速プロジェクト以降 3年後の次期計算機で専用、汎用どちらの方向に進むか議論が必要 専用：コストパーフォーマンス、プロジェクト向き プログラム・アルゴリズム開発の人材の確保が急務 汎用：状況の変化に対応しやすい。予算をどうするか？ いずれの場合もデータベース・プログラム・アルゴリズムの 人材の育成は重要