【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】核子(質(zhì)子和中子)是理解物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要對象。核子電極化率是描述核子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本物理量，它揭示了核子在外部電磁場下的響應(yīng)能力，可以通過康普頓散射過程測量。然而，其理論預(yù)言卻面臨著強(qiáng)相互作用低能區(qū)非微擾效應(yīng)的巨大挑戰(zhàn)。格點(diǎn)量子色動力學(xué)(格點(diǎn)QCD)從第一性原理出發(fā)，為研究核子極化率提供了強(qiáng)有力的工具。不過令人困惑的是，過去近20年的格點(diǎn)QCD計(jì)算獲得的核子電極化率均顯著低于實(shí)驗(yàn)測量值。
北京大學(xué)物理學(xué)院馮旭、劉川教授領(lǐng)導(dǎo)的格點(diǎn)QCD團(tuán)隊(duì)與美國康涅狄格大學(xué)靳路昶教授合作，對這個疑難問題開展了系統(tǒng)研究。在物理的參數(shù)條件下，團(tuán)隊(duì)利用國家超算天津中心提供的超級計(jì)算機(jī)對核子系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，最初得到的電極化率結(jié)果也是顯著偏低，與之前的格點(diǎn)研究一致。所幸，北大團(tuán)隊(duì)沒有輕下結(jié)論，也沒有輕易放棄。經(jīng)過深入分析，他們發(fā)現(xiàn)在核子極化率的計(jì)算中，核子-π介子態(tài)的貢獻(xiàn)不可忽略。通過直接計(jì)算核子-π介子散射振幅以及π介子電生過程中的核子矩陣元，北大團(tuán)隊(duì)首次通過格點(diǎn)QCD模擬，對核子-π介子態(tài)在極化率計(jì)算中的作用進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)這些態(tài)對質(zhì)子極化率貢獻(xiàn)約為60%，對中子極化率的貢獻(xiàn)甚至達(dá)到90%。在完善核子-π介子態(tài)的貢獻(xiàn)后，格點(diǎn)QCD給出的最終理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值達(dá)成良好一致。
北大團(tuán)隊(duì)的研究成果揭示了紅外手征量子漲落的重要性，也展示了格點(diǎn)QCD在解決核子結(jié)構(gòu)與低能強(qiáng)子物理問題中的潛力。在該研究過程中所發(fā)展的方法，不僅為其他核子極化率(比如自旋極化率、推廣的電磁極化率等)的計(jì)算提供了新的思路，也為未來研究π介子電弱產(chǎn)生反應(yīng)和中微子-核子非彈性散射過程奠定了基礎(chǔ)。
核子-光子康普頓散射過程中核子-π介子態(tài)的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)(高鈺圣作圖)
2024年9月30日，相關(guān)工作以“Nucleon Electric Polarizabilities and Nucleon-Pion Scattering at the Physical Pion Mass”為題在線發(fā)表于《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)。北京大學(xué)物理學(xué)院2020級博士生王選賀和2023級博士生張兆龍為論文共同第一作者，主要合作者還包括中國科學(xué)院理論物理研究所博士曹雄輝、北京大學(xué)2023級博士生范淙靈和2021級博士生高鈺圣。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，以及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、北京大學(xué)高能物理研究中心、國家超級計(jì)算天津中心等的支持。
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