素粒子分野における計算機物理

1. 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）

2. （１）素粒子分野の計算物理による今までの成果は？（１）素粒子分野の計算物理による今までの成果は？ • 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 • 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 • 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

3. 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。 カイラル対称性の自発的破れの検証 漸近自由性 ハドロン質量の再現 Dirac 演算子の固有値分布 Banks-Casher関係式の検証 JLQCD 2007 ハドロンの質量スペクトル CP-PACS/JLQCD 200７ 強い相互作用の結合定数 Particle Data Group 2006

4. ハドロンの性質の解明 核子のパートン分布関数 散乱の散乱長 S. Aoki’s talk at Lattice 2007 LHPC2007

5. 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

6. 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。

7. （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

8. 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

9. 新粒子の発見を目指す実験 XMASS実験（核子-WIMP散乱） LHC実験(陽子-陽子衝突） 暗黒物質探索 • 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 • 　　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 ヒッグス粒子 超対称粒子

10. 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 ２０％精度　　　　　　　1％精度 小林益川行列の検証　　　　　　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

11. 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

12. 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。

13. （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 • 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 カイラル摂動有効理論 HQET

14. 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-PAXCP-PACS PACS-CS

15. 計算機の現状 • JLQCD:BlueGene/ L 57TFlops　現在 • PACS-CS:専用計算機(Intel LV Xeon 2560 node)14.7TFlops • UKQCD-RBC:専用計算機（QCDOC）～30TFlops BlueGene/P～1 PFlops2008 • ETMC：　APEmille　数TFlops  BlueGene/P～100TFlops2008 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