目的・ビジョン
クォークの間に働く強い相互作用の性質を数値シミュレーションによって定量的に調べます。
概要
素粒子であるクォークの間に働き、原子核を形作る核力の源である強い相互作用は、量子色力学(Quantum Chromodynamics, QCD)というゲージ理論によって記述されます。QCDはその結合の強さが距離とともに増大するという特徴を持つため、結合定数によって展開する摂動論的手法は、高エネルギー、即ち近距離では有効ですが、低エネルギー領域では破綻し、解析的な計算は困難です。
このため、クォークを構成要素に持つハドロンの性質や粒子衝突におけるハドロン散乱振幅などを定量的に調べるには、なんらかの非摂動的手法が必要とされます。格子QCDは場の理論としてのQCDを4次元立方格子上で定式化したもので、経路積分を数値的に実行することにより、第一原理であるQCDに基づいた計算を摂動展開によらずに実現できます。
近年、格子QCDシミュレーションの精度や信頼性は大きく向上し、素粒子・原子核の物理現象を理解する上で重要な役割を果たしています。また格子ゲージ理論は、標準理論を構成するQCDだけでなく、他の場の理論の解析にも適用できるため、標準理論を超えた物理の候補を探すための研究にも応用が進められています。
以下のような研究を進めています。
(1) 有限温度密度での格子QCDシミュレーション
(2) 格子QCDコードBridge++の開発
(3) 計算科学のためのアルゴリズムとシミュレーション手法の研究
有限温度密度での格子QCDシミュレーション
有限温度・密度でのQCDの性質は、宇宙初期の状態や中性子性の状態などを理解するために重要です。特に内部有限密度での格子QCDは、フェルミオン作用が複素数となることによる複素位相問題のため、モンテカルロ法の適用が困難でした。近年、複素ランジュバン法というアルゴリズムが開発され、有限密度系を扱える可能性が出てきました。この複素ランジュバン法を適用可能な条件を理解し、カラー超伝導相などの有限密度系に応用する研究を行っています。
格子QCDコードBridge++の開発
格子QCDシミュレーションを行うための汎用コード「Bridge++」を開発しています。オブジェクト指向デザインに基づいてC++言語で記述し、2012年7月にリリースしたver.1.0以降、継続的にデザインの改良、機能拡張、高速化、ドキュメントの整備等を行っています。スーパーコンピュータ向けの最適化やGPUを使った高速化など、最新の計算機アーキテクチャへの適用も進めています。
Bridge++ サイト： http://bridge.kek.jp/Lattice-code/
計算科学のためのアルゴリズムとシミュレーション手法の研究
計算科学の手法を推進するために、数値アルゴリズムの分野横断的応用・開発、種々の計算機アーキテクチャの性能を十分に引き出すための手法の開発、計算素粒子物理学のためのデータグリッド（JLDG: Japan Lattice Data Grid）の構築を進めています。またこれらの技術を超新星爆発などの大規模シミュレーションに応用しています。
JLDGサイト： https://www.jldg.org/
