发布日期:2024-05-16 浏览次数:
供稿:理论物理研究所 |
编辑:胡克倩 |
审核:朱世琳
在粒子物理标准模型中,Cabibbo-Kobayashi-Maskawa(CKM)矩阵是一个含有关于弱相互作用味道改变信息的幺正矩阵。近几年,人们发现一个有趣的“新物理”迹象:从核贝塔衰变和其他过程中提取的第一行CKM矩阵元暗示了幺正性的潜在违反(达到3个标准偏差)。在贝塔衰变的标准模型预言中,自由核子中的“光子-W玻色子圈图”贡献了主要的理论误差。利用色散关系对该圈图进行重新评估,人们发现了该圈图的贡献与之前的理论结果存在较大偏差,从而导致了幺正性的违反。
然而,要严格控制光子-W玻色子圈图计算中的各项误差,并达到理想的精度,是非常具有挑战性的。由于贝塔衰变处于强相互作用低能区,导致微扰计算的方法失效。早在上世纪70年代末,人们就已经知道到光子-W玻色子圈图的重要性,但理论计算仍然基于一定的唯象模型假设。这是一个存在于强子物理和核物理中的长期未解问题。
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幸运的是,格点量子色动力学可以从第一性原理出发,利用先进的超级计算机,给光子-W玻色子圈图的求解提供一个非微扰的方案。2020年,北京大学冯旭课题组与合作者在π介子贝塔衰变中提出了解决光子-W玻色子圈图的方法,将非微扰强相互作用部分的理论误差降低了10倍。理论的成功也推动了实验的进展,瑞士PSI实验室最新的PIONEER实验的目标是将π介子贝塔衰变分支比的测量精度提高一个数量级,以期从实验和理论的对比中获取精确的CKM矩阵元。
对于自由核子贝塔衰变中的光子-W玻色子圈图,格点计算则更具有挑战性。经过3年多的努力,冯旭课题组和合作者首次实现了核子的光子-W玻色子圈图计算,并分析了所有系统误差。目前光子-W玻色子圈图难题已成功找到解决方法,理论的主要不确定性变成核多体效应所带来的误差。格点量子色动力学提供的新输入,为CKM幺正性的精确检验奠定了更加坚实的理论基础。结合格点计算和其他输入,目前第一行CKM矩阵元,偏离幺正性预言1.8个标准差。
2024年5月8日,相关研究工作以“超允许核贝塔衰变和中子贝塔衰变电弱圈图的格点QCD计算”(Lattice QCD Calculation of Electroweak Box Contributions to Superallowed Nuclear and Neutron Beta Decays)为题,在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters);9159金沙申请大厅博士研究生马鹏翔(第一作者)、张兆龙对这项工作均有重要贡献,主要合作者包括德国美因茨大学M. Gorchtein博士、美国康乃狄格大学靳路昶教授(共同通讯作者)、美国肯塔基大学刘克非教授和王笔耕博士、美国密歇根州立大学C.-Y. Seng博士。
上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划,及量子物质科学协同创新中心、北京大学高能物理研究中心、国家超级计算天津中心等支持。
论文原文链接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.191901
参考论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.192002