用格点量子色动力学方法研究核子结构

This work is to study the nucleon structure using lattice QCD. We numerically calculate the nucleon form factors and the parton distribution functions from the first principle with dynamical chiral fermion. We study the contributions from the quarks and the gluons to the nucleon mass and spin. This work will help us to solve the "nucleon spin crisis", to estimate the parameters in the search of dark matter, and to understand the nature of the nucleons. We adopt the overlap fermion as the valence on the 2+1 flavor DWF configurations from RBC-UKQCD. With the help of Deflation, LMS and other algorithms, we calculate the connected insertion and the disconnected insertion of the three point functions. We will do the extrapolation on the quark masses and the lattice spacings and estimate both the statistical errors and the systematical errors.

本项目采用格点量子色动力学（Lattice QCD）方法研究核子结构。我们将从QCD第一原理出发，使用带有手征对称性的动力学费米子作用量，针对核子的形状因子和部分子分布函数等进行非微扰的数值计算。我们将以这些物理量的数值结果为基础，研究夸克和胶子是如何对核子的质量、自旋等整体性质产生贡献的。这项研究将有希望解决所谓“质子自旋危机”的古老问题，也能为搜索暗物质的实验提供一些参数依据，更可以帮助我们深入理解核子的物理本质。我们将在RBC-UKQCD合作组产生的畴壁费米子（DWF）组态上使用重叠费米子（Overlap Fermion）作为价夸克，采用Deflation和LMS等算法，分别计算出核子的连通三点关联函数（CI）和非连通三点关联函数（DI），然后从中抽取相应的物理量。我们将对数值结果进行手征外推和连续极限外推，并详细分析统计误差和系统误差以同实验比较。

为了研究核子自旋的组成问题，我们采用反常Ward恒等式（AWI）计算了奇异夸克和粲夸克对核子自旋的贡献。我们采用手征费米子作用量，并采用了一系列优化的数值算法，计算出粲夸克的贡献的两个部分刚好抵消，结果在误差范围内为零；而奇异夸克的两部分贡献则未完全抵消，最终质量外推后的结果为-0.0403(44)(78)。这个结果在精度和可靠性上是目前国际上较为领先的，将为“核子自旋危机”这个困扰物理学家多年的问题的最终解决提供重要依据。..另外，我们还在核子的同位旋矢量矩阵元、D介子散射、fDs、夸克手征凝聚、ηc的双光子衰变、以及有限温度、有限密度的相关问题等方面做了一些研究。