物理学院冯旭课题组和合作者用格点量子色动力学破解贝塔衰变中的光子-W玻色子圈图难题

　　

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20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。

中子贝塔衰变过程中的光子-W玻色子圈图，内部具有复杂的量子涨落效应（高钰圣作图）

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（https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.192002）。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）；北京大学物理学院博士研究生马鹏翔（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，以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的支持。