Введение: кварки и глюоны Невылетание цвета –задача тысячелетия Моделирование сильных взаимодействий на компьютерах и суперкомпьютерах Перемешивание сильных. - презентация

1 Введение: кварки и глюоны Невылетание цвета –задача тысячелетия Моделирование сильных взаимодействий на компьютерах и суперкомпьютерах Перемешивание сильных и электромагнитных взаимодействий Теория невылетания цвета Яндекс 22 декабря 2010 Кварки, невылетание цвета, и суперкомпьютеры M.И. Поликарпов (ИТЭФ, Москва)

2 Введение: кварки и глюоны Невылетание цвета –задача тысячелетия Моделирование сильных взаимодействий на компьютерах и суперкомпьютерах Перемешивание сильных и электромагнитных взаимодействий Теория невылетания цвета Яндекс 22 декабря 2010 Кварки, невылетание цвета, и суперкомпьютеры M.И. Поликарпов (ИТЭФ, Москва)

3 Введение: кварки и глюоны Невылетание цвета –задача тысячелетия Моделирование сильных взаимодействий на компьютерах и суперкомпьютерах Перемешивание сильных и электромагнитных взаимодействий Теория невылетания цвета Яндекс 22 декабря 2010 Кварки, невылетание цвета, и суперкомпьютеры M.И. Поликарпов (ИТЭФ, Москва)

4 Введение: кварки и глюоны Невылетание цвета –задача тысячелетия Моделирование сильных взаимодействий на компьютерах и суперкомпьютерах Перемешивание сильных и электромагнитных взаимодействий Теория невылетания цвета Яндекс 22 декабря 2010 Кварки, невылетание цвета, и суперкомпьютеры M.И. Поликарпов (ИТЭФ, Москва)

5 Введение: кварки и глюоны Невылетание цвета –задача тысячелетия Моделирование сильных взаимодействий на компьютерах и суперкомпьютерах Перемешивание сильных и электромагнитных взаимодействий Теория невылетания цвета Яндекс 22 декабря 2010 Кварки, невылетание цвета, и суперкомпьютеры M.И. Поликарпов (ИТЭФ, Москва)

6 Введение: кварки и глюоны Невылетание цвета –задача тысячелетия Моделирование сильных взаимодействий на компьютерах и суперкомпьютерах Перемешивание сильных и электромагнитных взаимодействий Теория невылетания цвета Яндекс 22 декабря 2010 Кварки, невылетание цвета, и суперкомпьютеры M.И. Поликарпов (ИТЭФ, Москва)

7 Experiment LHC RHIC Theory Supercalculations

8 ITEP F.V. Gubarev, A.V.Kovalenko, S.M. Morozov, MIP, S.V. Syritsyn, V.I. Zakharov, P.Yu Boyko, P.V. Buividovich, M.N. Chernodub, V.G. Bornyakov, E.N. Luschevskaya, A.I.VeselovA.A. Slavnov F.V. Gubarev, A.V.Kovalenko, S.M. Morozov, MIP, S.V. Syritsyn, V.I. Zakharov, P.Yu Boyko, P.V. Buividovich, M.N. Chernodub, V.G. Bornyakov, E.N. Luschevskaya, A.I.Veselov, A.A. Slavnov DESY, Gumboldt University, Germany G.Schierholz, D.Pleiter, T.Streuer, H.Stuben, F. Weinberg, M. Mueller-Proyssker, E.M. Ilgenfritz Kanazawa University, Japan H.Ichie, S.Kitahara, Y.Koma,Y.Mori, Y.Nakamura, T.Suzuki, A. Nakamura BNL, San Francisko University, USA D. Kharzeev, J. Greensite, S. Olejnik (+ Bratislava University, Slovakia) Основные результаты получены в сотрудничестве группы ИТЭФ с ДЭЗИ (Германия), Университет Каназава (Япония), Национальная Лаборатория Брукхэвен (США) Университет Сан Франциско (США)

9 Взаимодействия – 1. Гравитационное mg

10 Взаимодействия – 2. Слабое

11 Взаимодействия – 3. Электромагнитноеное

12 Взаимодействия – 4. Сильное

13 Основные задачи теории сильных взаимодействий Стартуя с Лагранжиана КХД (1)Получить спектр адронов, (2)Посчитать матричные элементы, (3) Описать фазовую диаграмму теории (4) Объяснить невылетание цвета ( $US)

14 Невылетание цвета (почему мы не видим свободных кварков и глюонов?) Основная сложность – отсутствие аналитических методов для описания теории сильных взаимодействий, но (супер)компьютеры могут многое предсказывать исходя из Лагранжиана КХД Сила между кварком и антикварком 12 тонн!!!

15 Квантовая механика частицы x1x1 x2x2 Вес каждой траектории e iS Классическая траектория

16 Квантовая теория поля

17 Methods Imaginary time tit Space-time discretization Thus we get from functional integral the partition function for statistical theory in four dimensions

18 INTRODUCTION Three limits Lattice spacing Lattice size Quark mass Typical values Extrapolation Extrapolation + Chiral perturbation theory L a

19 Типичная кратность интегралов Мы считаем интегралы кратности Мы считаем интегралы кратности32L 4 (L=48, 32L 4 =169,869,312) И работаем с матрицами И работаем с матрицами 12L 4 x 12L 4 (L=48, 12L 4 =63,700,992) Для решетки Для решетки L 4 (L=48, L 4 =5,308,416)

20 Сила между кварком и антикварком 12 тонн!!! SU(2) glue SU(3) glu Сила между кварком и антикварком 12 тонн!!! e 2qQCD (2+1)QCD

21 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD (2+1)QCD

22 Three body forces!

23 1 м Происхождение массы

24 м

25 м m e 0.5 MeV m n 1000 MeV

26 м m p m n

27 м m p 1000 MeV m u,d 3..5 MeV

28 Masses of material objects is due to gluon fields inside baryon

29 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD (2+1)QCD Three body forces!

30 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD (2+1)QCD Usually the teams are rather big, people arXiv:hep-lat/ v1arXiv:hep-lat/ v2

31 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD (2+1)QCD String Breaking (DIK collaboration)

32 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD (2+1)QCD Hadron Mass Spectrum

33 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD (2+1)QCD

34 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD (2+1)QCD Wilson non-perturbatively improved Fermions WORKING HORSE of lattice QCD calculations Y. Kuramashi Lattice 2007 Iwasaki gauge action + clover quarks a^(1) = 2.2GeV, lattice size: 32^3 × 64

35 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD (2+1)QCD Finite Temperature

36 Фазовая Диаграмма КХД

37

38 Моделирование К-Г плазмы в США

39

40 SU(2) glue SU(3) glue 2qQCD(2+1)QCD

41

42 Вязкость К-Г плазмы чрезвычайно мала

43 Below I use a lot of slides made by M.N. Chernodub, P.V. Buividovich and D.E. Kharzeev

44 Magnetic fields in non-central collisions [Fukushima, Kharzeev, Warringa, McLerran 07-08] Heavy ion Quarks and gluons

45 Magnetic fields in non-central collisions [1] K. Fukushima, D. E. Kharzeev, and H. J. Warringa, Phys. Rev. D 78, (2008), URL [2] D. Kharzeev, R. D. Pisarski, and M. H. G.Tytgat, Phys. Rev. Lett. 81, 512 (1998), URL [3] D. Kharzeev, Phys. Lett. B 633, 260 (2006), URL [4] D. E. Kharzeev, L. D. McLerran, and H. J. Warringa, Nucl. Phys. A 803, 227 (2008), URL [Fukushima, Kharzeev, Warringa, McLerran 07-08]

46 Magnetic fields in non-central collisions The medium is filled by electrically charged particles Large orbital momentum, perpendicular to the reaction plane Large magnetic field along the direction of the orbital momentum Charge is large Velosity is high Thus we have two very big currents

47 Magnetic fields in non-central collisions The medium is filled by electrically charged particles Large orbital momentum, perpendicular to the reaction plane Large magnetic field along the direction of the orbital momentum Two very big currents produce a very big magnetic field B

48 D.Kharzeev

49 Magnetic forces are of the order of strong interaction forces first time in my life I see such effect

50 Magnetic forces are of the order of strong interaction forces first time in my life I see such effect We expect the influence of magnetic field on strong interaction physics

51 Magnetic forces are of the order of strong interaction forces first time in my life I see such effect We expect the influence of magnetic field on strong interaction physics The effects are nonperturbative, it is impossible to perform analytic calculations and we use Lattice Calculations

52 T We calculate in the external magnetic field and in the presence of the vacuum gluon fields

53 Quenched vacuum, overlap Dirac operator, external magnetic field

54 Chiral Magnetic Effect [Fukushima, Kharzeev, Warringa, McLerran 07-08] Electric current appears at regions 1. with non-zero topological charge density 2. exposed to external magnetic field Experimentally observed at RHIC : charge asymmetry of produced particles at heavy ion collisions

55 Chiral Magnetic Effect by Fukushima, Kharzeev, Warringa, McLerran 1. Massless quarks in external magnetic field. Red: momentum Blue: spin

56 Chiral Magnetic Effect by Fukushima, Kharzeev, Warringa, McLerran 1. Massless quarks in external magnetic field. Red: momentum Blue: spin

57 Chiral Magnetic Effect by Fukushima, Kharzeev, Warringa, McLerran 2. Quarks in the instatnton field. Red: momentum Blue: spin Effect of topology: u L u R d L d R

58 Chiral Magnetic Effect by Fukushima, Kharzeev, Warringa, McLerran 3. Electric current along magnetic field Red: momentum Blue: spin Effect of topology: u L u R d L d R u-quark: q=+2/3 d-quark: q= - 1/3

59 Chiral Magnetic Effect by Fukushima, Kharzeev, Warringa, McLerran 3. Electric current is along magnetic field In the instanton field Red: momentum Blue: spin Effect of topology: u L u R d L d R u-quark: q=+2/3 d-quark: q= - 1/3

60 Topological charge density in quantum QCD vacuum has fractal structure In quantum vacuum we expect big fluctuations of charge squared

61 Chiral Magnetic Effect on the lattice, charge separation Density of the electric charge vs. magnetic field

62 Chiral Magnetic Effect, EXPERIMENT VS LATTICE DATA (Au+Au)

63 Chiral Magnetic Effect, EXPERIMENT VS LATTICE DATA experiment our fit D. E. Kharzeev, L. D. McLerran, and H. J. Warringa, Nucl. Phys. A 803, 227 (2008), our lattice data at T=350 Mev

64 Preliminary results: conductivity of the vacuum Qualitative definition of conductivity s

65 Preliminary results: conductivity of the vacuum Conductivity at T=0

66 2. Chiral condensate in QCD

67 Chiral condensate vs. field strength We are in agreement with the chiral perturbation theory: the chiral condensate is a linear function of the strength of the magnetic field!

68 3. Magnetization of the vacuum as a function of the magnetic field Spins of virtual quarks turn parallel to the magnetic field

69 4. Generation of the anomalous quark electric dipole moment along the axis of magnetic field Large correlation between square of the electric dipole moment and chirality

70 THEORY To explain We have to prove in gluodynamics that

71 SU(2) gauge theory J.Ambjorn, J.Giedt and J.Greensite, JHEP 0002 (2000) 033. A.V.Kovalenko, M.I.Polikarpov, S.N.Syritsyn and V.I.Zakharov, Phys. Rev. D71 (2005) ; Phys. Lett. B613 (2005) 52; Ph. de Forcrand and M. Pepe, Nucl. Phys. B598 (2001) 557. Monopole current (closed line in 4D) Vortex (closed Surface in 4D)

72 Linking number 3D 4D

73 Monopole current (closed line in 4D, point in 3D) Vortex (closed surface in 4D, closed line in 3D) Pure gauge theory (what we see on 3d slice of 4D lattice)

74 All information about confinement, quark condensate and any Wilson loop is encoded in 3d branes Holography THEORY

75 Time slices for IPR=5.13 chirality=-1 IPR=1.45 chirality=0 Chiral symmetry breaking and topological susceptibility is due to low-dimensional regions THEORY

76 Instead of Conclusions Computer simulations a) reproduce well known hadron properties b) predict new phenomena c) help to create new theoretical ideas. Low dimensional objects (regions) are responsible for most interesting nonperturbative effects: chiral symmetry breaking, topological susceptibility and confinement. The era of traditional quantum field theory (Feynman graphs, perturbation theory) is over, nonperturbative field theory is close in spirit to solid state theory; we have to study dislocations, fractals, phase transitions etc.

77 Education

78 Московский физико-технический институт Факультет общей и прикладной физики кафедра теоретической астрофизики и проблем термоядерной физики Специализация: квантовая гравитация и калибровочные поля Базовая организация "Государственный Научный Центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" Москва, ул. Большая Черемушкинская, 25 Руководит новой специализацией всемирно известный физик - теоретик Валентин Иванович Захаров Наш студент это тот, кому интересна теоретическая физика и/или информатика и/или математическая физика и/или суперкмпьютеры (или все вместе).