【儀表網 研發快訊】核子(質子和中子)是理解物質內部結構的重要對象。核子電極化率是描述核子內部結構的基本物理量，它揭示了核子在外部電磁場下的響應能力，可以通過康普頓散射過程測量。然而，其理論預言卻面臨著強相互作用低能區非微擾效應的巨大挑戰。格點量子色動力學(格點QCD)從第一性原理出發，為研究核子極化率提供了強有力的工具。不過令人困惑的是，過去近20年的格點QCD計算獲得的核子電極化率均顯著低于實驗測量值。
北京大學物理學院馮旭、劉川教授領導的格點QCD團隊與美國康涅狄格大學靳路昶教授合作，對這個疑難問題開展了系統研究。在物理的參數條件下，團隊利用國家超算天津中心提供的超級計算機對核子系統進行了模擬，最初得到的電極化率結果也是顯著偏低，與之前的格點研究一致。所幸，北大團隊沒有輕下結論，也沒有輕易放棄。經過深入分析，他們發現在核子極化率的計算中，核子-π介子態的貢獻不可忽略。通過直接計算核子-π介子散射振幅以及π介子電生過程中的核子矩陣元，北大團隊首次通過格點QCD模擬，對核子-π介子態在極化率計算中的作用進行了深入分析，發現這些態對質子極化率貢獻約為60%，對中子極化率的貢獻甚至達到90%。在完善核子-π介子態的貢獻后，格點QCD給出的最終理論計算結果與實驗測量值達成良好一致。
北大團隊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QCD在解決核子結構與低能強子物理問題中的潛力。在該研究過程中所發展的方法，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)的計算提供了新的思路，也為未來研究π介子電弱產生反應和中微子-核子非彈性散射過程奠定了基礎。
核子-光子康普頓散射過程中核子-π介子態的貢獻占主導(高鈺圣作圖)
2024年9月30日，相關工作以“Nucleon Electric Polarizabilities and Nucleon-Pion Scattering at the Physical Pion Mass”為題在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。北京大學物理學院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院理論物理研究所博士曹雄輝、北京大學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基金、國家重點研發計劃，以及量子物質科學協同創新中心、北京大學高能物理研究中心、國家超級計算天津中心等的支持。
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