幾乎所有的已知可見物質的質量都來自於組成原子核的核子（質子與中子）。核子由夸克與膠子組成，Higgs粒子為夸克提供了質量，而膠子沒有質量。但是Higgs為夸克模型中組成核子的上下夸克提供的質量，在核子尺度僅為核子質量的約1%。從量子色動力學（QCD）出發，夸克質量的貢獻會被誇克凝聚的效應加強；而除了夸克質量的貢獻，核子質量中還有夸克與膠子運動產生的動能貢獻。同時，純粹的量子反常效應也對核子質量有重要貢獻。從實驗方面來看，夸克質量貢獻可以部分地基於πN散射推測，夸克與膠子的能量貢獻可以綜合深度非彈性散射的各種實驗推測，而反常貢獻的相關測量是中美籌建中的電子粒子對撞機的設計目標之一。但是由於QCD本身在核子尺度上無法解析計算的特性，上述分解方案在20多年前被提出後，其理論定量計算長期以來是一個空白。
中科院理論物理研究所楊一玻副研究員在密西根州立大學工作期間就與χQCD合作組展開合作，與來自肯塔基大學的梁劍博士（共同一作）、劉克非教授和TerrenceDraper教授，以及中科院高能物理研究所的畢玉江博士、陳瑩研究員和劉朝峰研究員，利用格點QCD方法，完成了對核子中三種輕夸克質量貢獻、輕夸克與膠子動能貢獻的精確計算，並據此推測了量子反常的貢獻。相關論文近日發表在Phys. Rev. Lett. 121, 212001 (2018)，並得到了編輯推薦(Editor’sSuggestion)。
格點QCD方法將核子尺度的QCD問題轉換一個定義在四維格子上的統計問題，提供了系統地進行精確數值計算的理論框架。但是實施這一計算，控制統計誤差以及來自有限格距、有限體積及其他來源的系統誤差，則需要大量的人力與算力；這一過程相當於在超級計算機上設計並建造「探測器」、收集並處理「實驗」結果。以上述研究為例，χQCD合作組在六年除了大量人力，也投入了數億CPU小時的計算資源。
將離散格子上的「實驗」結果外推到連續時空上亦非易事，需要為核子質量各貢獻的「實驗」結果中的短程量子效應單獨設計相應的「實驗」。利用過濾長程無關「噪聲」的思想和巧妙的算法設計，膠子短程效應「實驗」所需的計算資源可以從全球算力總和級別降到幾百萬CPU小時。上述工作的作者們據此將格點QCD對質子質量中各貢獻的「實驗數據」，轉換成為可以和加速器實驗相互印證的結果。
上述研究的格點QCD數值結果在與加速器實驗導出的結果符合的同時，也顯示了夸克與膠子動能，以及量子反常對核子質量的貢獻，在上下夸克質量小於奇異夸克質量大約一半的範圍內，對夸克質量的變化不敏感。美國物理學會(APS)為上述研究邀請格點QCD專家André Walker-Loud在雜誌《Physics》上撰文對公眾加以解讀。
https://physics.aps.org/articles/v11/118，並設計了核子從夸克質量、反常和動能中獲得質量的示意圖(見下圖)。
原文連結：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.121.212001
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