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科學研究
科研成果
馮旭課題組在格點量子色動力學研究中取得系列重要進展
發布日期:2020-09-04瀏覽次數:

量子色動力學(QCD)是研究夸克和膠子之間強相互作用的基本理論。由于強相互作用在低能區的強耦合、非微擾特性,使得微擾解析的計算方法不再適用。格點量子色動力學(格點QCD)憑借超級計算機的助力,為低能QCD提供了一種非微擾的解決方案——通過對QCD系統進行蒙特卡洛模擬,我們能從第一性原理出發得到精確的理論預言與實驗進行對比。這在研究核子內部結構、精確檢驗標準模型等多個方面,都能起到至關重要的作用。

粒子物理標準模型迄今已經得到了眾多精確的檢驗,而尋找超出標準模型的新物理是當今粒子物理研究的主要目標之一。在高精度前沿,人們通過實驗與理論的高精度對比來尋找新物理的跡象。在高階電弱過程中,由于標準模型的貢獻被高階壓低了,新物理的貢獻就會被凸顯出來。這使得高階電弱過程成為人們探索新物理的重要實驗場。理論上要精確計算高階電弱過程中的QCD貢獻,需要構造復雜的4點關聯函數、提取非局域強子矩陣元等,這在格點QCD領域屬于全新的開始,也是極富挑戰性的工作。

馮旭研究員與學生及合作者一起針對光子-W玻色子高階圈圖的計算構建了一套完整的新方法,解決了復雜關聯函數計算和分析過程中的一系列技術難題,并通過我國超級計算天津中心的“天河三號原型機”超級計算機和美國阿貢國家實驗室的“Mira”超級計算機,在國際上首次完成了對光子-W玻色子圈圖的格點計算。從該計算出發,馮旭課題組將pion介子半輕衰變寬度的理論預言精度提高了3倍,這為高精度CKM物理提供了重要的理論信息。



圖1. 光子-W玻色子圈圖



圖2.  格點QCD計算得到的圈圖貢獻


這項工作最近發表在《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 124, 192002 (2020))。北京大學物理學院本科生馬鵬翔參與具體的計算和分析工作。理論物理研究所馮旭研究員為第一作者兼通訊作者,其他合作者還包括德國美因茨大學M. Gorchtein博士、美國康乃狄格大學靳路昶教授(共同通訊作者)、德國波恩大學C.-Y. Seng博士。該工作得到國家自然科學基金和中國超算天津中心的支持。

此外,馮旭課題組還利用格點QCD計算了二階電弱過程的稀有K介子衰變振幅,為實驗尋找新物理提供可靠的理論對比;提出了長程核相互作用中宇稱破壞的新定理,極大簡化了在格點QCD框架下對宇稱破壞耦合常數的計算;計算了雙pion系統的無中微子雙貝塔衰變振幅,為構建從格點QCD到手征有效理論再到多體核理論的無縫銜接完成了關鍵的第一步。以上工作均發表于《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 118, 252001 (2017);Phys. Rev. Lett. 120, 181801 (2018);Phys. Rev. Lett. 122, 022001 (2019)),馮旭研究員為第一作者或通訊作者。


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