夸克與膠子如何構(gòu)成核子，是粒子物理中物質(zhì)組成研究的核心問題之一。第一性原理出發(fā)的格點量子色動力學（QCD）能對部分子分布函數(shù)（PDF）給出日益精確的理論模擬。但是理論預言Drell-Yan過程和半單舉深度非彈性散射等過程需要核子的橫向動量分布（TMD），這既是籌備中的中國電子離子對撞機和美國電子離子對撞機等實驗裝置的主要目標之一，也是對格點量子色動力學理論預言能力的重要檢驗。同時，輕贗標介子作為手征對稱性自發(fā)破缺產(chǎn)生的贗Goldstone玻色子，其結(jié)構(gòu)與對實驗觀測的影響一直受到關(guān)注。
理論上格點QCD模擬可以對上述問題提供從基本粒子相互作用出發(fā)的精確預言，但是格點上計算PDF、LCDA和TMD需要在多種格距、不同格點數(shù)的格子上進行高精度計算。同時，只有精確消除隨格距減小指數(shù)增長的短程發(fā)散，才能得到可靠的連續(xù)極限預言。而將格點QCD計算邊長增加一倍或者將格距縮小一倍，會帶來在計算資源上16倍以上的開銷。除了算法上的突破改進，只能通過使用更為強大的超級計算機來解決LQCD計算對計算資源的需求。
“東方”超級計算系統(tǒng)具有強大算力，LPC合作組基于該系統(tǒng)完成了最大3億格點數(shù)的大規(guī)模模擬計算，證實結(jié)合Wilson圈的平方根與短距離強子矩陣元，可以有效地消除準TMD算符中所有短程發(fā)散，并在短程時與解析計算結(jié)果一致（圖1）[1]; 同時基于最大2億格點數(shù)的大規(guī)模計算，可以得到圖2所示的LCDA理論預言[2]。兩項研究工作于近期發(fā)表在物理學科的頂級雜志Phys. Rev. Lett.上。
LPC合作組成立于2019年，包括中科院理論所、近物所、上海交大和德國雷根斯堡大學等機構(gòu)的研究人員，立足中國國內(nèi)格點QCD研究人員和超算資源開展強子結(jié)構(gòu)的研究。LPC合作組由中國科學院理論物理所楊一玻研究員擔任發(fā)言人，為合作組的LQCD計算提供架構(gòu)和方案設計、以及數(shù)值計算培訓。依托中科院先導專項與“東方”超級計算系統(tǒng)的支持，合作組自成立以來已發(fā)表七篇文章，包括Phys.Rev.Lett.四篇，Phys.Rev.D兩篇，Nuc.Phys.B一篇。
“東方”超級計算系統(tǒng)是中科院新一代超級計算機，由中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心運行管理。系統(tǒng)基于X86架構(gòu)的國產(chǎn)處理器和類GPU架構(gòu)的國產(chǎn)加速卡，融合了計算機體系結(jié)構(gòu)、高效制冷、高速網(wǎng)絡、海量存儲等方面的最新研究成果，突破了傳統(tǒng)冷卻方式，攻克了制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的能耗瓶頸，支撐了高性能計算、AI、大數(shù)據(jù)等在天文、海洋、材料等領(lǐng)域的應用，為科學探索、產(chǎn)業(yè)升級等提供支撐。
圖1: 使用短程減除方案（右圖）對準TMD矩陣元進行重整化的結(jié)果，不同顏色表示不同格距，顏色越暖格距越小。如圖所示，短程減除方案可以得到收斂而與解析計算（虛線）在短程精確一致的結(jié)果。
圖2: 格點QCD基于大動量有效理論對 介子（左圖）和 介子（右圖）的光錐分布振幅作出的預言（黃色條帶），已外推到連續(xù)極限與大動量極限。與 介子的情形不同， 介子的光錐分布振幅具有較為明顯的不對稱性。對于目前計算中使用的強子動量，x<0.1與x>0.9區(qū)域的內(nèi)秉能標過低，從而無法通過大動量有效理論給出可靠預言。
[1] J. Hua, et al., LPC, PRL129(2022),132001;
原文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.132001
[2] K. Zhang, et al., LPC, PRL119(2022),082002,
原文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.082002