近日，北京大學(xué)物理學(xué)院馮旭課題組與康涅迪格大學(xué)助理教授靳路昶合作，首次用格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)（格點(diǎn)QCD）研究繆氫原子蘭姆位移，成功獲得雙光子交換對(duì)蘭姆位移的修正。相關(guān)成果在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)

質(zhì)子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子之一，它具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由帶電的夸克和不帶電的膠子組成。質(zhì)子內(nèi)部的電荷分布半徑，通常也被用來衡量質(zhì)子大小。

2010年，物理學(xué)家通過精確測量繆氫原子（即氫原子中的電子被替換成繆子）蘭姆位移(Lamb shift)，捕捉到質(zhì)子內(nèi)部電荷分布對(duì)繆氫原子能級(jí)造成的微小影響，從而確定了電荷分布半徑。蘭姆位移是物理學(xué)家Lamb和Retherford在1947年利用微波技術(shù)，測量出氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)之間存在的能級(jí)差。

氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，超精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及蘭姆位移，圖片來自HyperPhysics

盡管繆氫光譜實(shí)驗(yàn)的精度遠(yuǎn)高于其他實(shí)驗(yàn)，但從中獲得的電荷分布半徑較此前全球?qū)嶒?yàn)平均值相差了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，即所謂的質(zhì)子大小之謎。2019年，最新的電子-質(zhì)子散射和氫原子光譜實(shí)驗(yàn)與繆氫實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，預(yù)示著質(zhì)子大小之謎正在逐步破解，實(shí)驗(yàn)上的分歧也逐漸縮小。

迄今為止，繆氫光譜實(shí)驗(yàn)依然是獲取質(zhì)子電荷半徑最精確的實(shí)驗(yàn)手段。光譜學(xué)高精度測量使得QCD的貢獻(xiàn)在理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比中更加重要。事實(shí)上，從繆氫蘭姆位移中提取電荷分布半徑，最主要的理論誤差就來源于非微擾QCD主導(dǎo)的雙光子交換費(fèi)曼圖。

氫原子與繆氫原子（左），雙光子交換費(fèi)曼圖（右），圖片來自北京大學(xué)

此次，北京大學(xué)物理學(xué)院理論物理研究所馮旭研究員課題組與康涅迪格大學(xué)靳路昶助理教授合作，解決了雙光子圖的紅外發(fā)散問題，發(fā)展了全新的長程減除方案來降低統(tǒng)計(jì)誤差，并依托中國超算天津中心“天河三號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了雙光子圖的格點(diǎn)計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)擬進(jìn)一步開展更為系統(tǒng)、精度更高的計(jì)算，以期最終解決“質(zhì)子究竟有多大”這一基本科學(xué)問題。

前述研究表明，格點(diǎn)方法還可用于研究超精細(xì)光譜等其他重要的光譜學(xué)物理量。北大格點(diǎn)團(tuán)隊(duì)未來的工作重點(diǎn)之一，是將格點(diǎn)QCD研究拓展至原子光譜學(xué)，為夸克和膠子尺度的高能物理研究與極高精度的原子光譜學(xué)研究構(gòu)建起跨學(xué)科的橋梁。

雙光子交換貢獻(xiàn)的格點(diǎn)QCD計(jì)算結(jié)果，圖片來自北京大學(xué)

論文第一作者為北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生傅楊，本科生陸辰飛參與部分計(jì)算和數(shù)據(jù)分析。前述研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，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(jí)計(jì)算天津中心等支持。