北京大學(xué)物理學(xué)院朱華星研究團(tuán)隊(duì)在“紅外安全邊緣”打開電荷關(guān)聯(lián)的可計(jì)算窗口

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 在物質(zhì)世界的最深處，藏著一個簡單而深刻的謎題?？淇耸菢?gòu)成物質(zhì)的基本粒子，質(zhì)子和中子皆由其構(gòu)成?？淇藬y帶分?jǐn)?shù)電荷，而自然最終呈現(xiàn)于我們面前的質(zhì)子、介子等粒子，卻永遠(yuǎn)是整數(shù)電荷。在高能碰撞的瞬間，夸克究竟經(jīng)歷了怎樣的相互作用，才得以融合成電荷整齊的粒子？科學(xué)家為此比較飛向不同方向的粒子所攜帶的電荷，試圖從彼此的關(guān)聯(lián)中重建電荷轉(zhuǎn)移的軌跡，然而這條探索之路長期受阻于一個頑固的障礙：碰撞中能量極低的粒子會使理論計(jì)算發(fā)散。于是，實(shí)驗(yàn)?zāi)芸匆娮匀涣粝碌暮圹E，理論卻給不出可靠的解釋——在觀測與理解之間，始終橫亙著一道尚未跨越的鴻溝。
 

　　近日，北京大學(xué)物理學(xué)院朱華星教授與歐洲核子研究中心Pier Monni、Gherardo Vita，以及浙江大學(xué)徐振博士(現(xiàn)為德國電子同步加速器研究所DESY博士后)合作取得了一項(xiàng)理論突破。簡單說，他們發(fā)現(xiàn)了一個此前未被注意的機(jī)制：過去，那些低能粒子會讓計(jì)算亂成一團(tuán)、給出無窮大的結(jié)果；但他們注意到，當(dāng)碰撞后產(chǎn)生的兩束粒子飛向幾近相反的方向時，那些搗亂的貢獻(xiàn)會被幾何角度上的因素自然壓制下去，使得計(jì)算重新變得清晰可行。他們給這個新機(jī)制取名為“領(lǐng)頭冪次安全”，并在此基礎(chǔ)上第一次建立了這一特殊角度下的完整理論計(jì)算框架。
 

　　在正負(fù)電子對撞中，電荷-電荷關(guān)聯(lián)函數(shù)描述一對粒子的電荷乘積如何隨兩者運(yùn)動方向的夾角變化。作為直接追蹤強(qiáng)相互作用中電荷轉(zhuǎn)移的觀測量，電荷關(guān)聯(lián)有望揭示夸克和膠子在輻射、劈裂及強(qiáng)子化過程中的動力學(xué)。然而，這一觀測量長期受制于一個根本性的理論障礙：由低能粒子關(guān)聯(lián)所引發(fā)的紅外發(fā)散使得理論計(jì)算失效。
 

　　這一難題的歷史可以追溯到李政道先生1979年在北京授課后整理出版的講義《粒子物理和場論》。書中定義了電荷-電荷關(guān)聯(lián)函數(shù)，并計(jì)算了二階量子輻射修正。李政道先生當(dāng)時指出，雖然電荷關(guān)聯(lián)“實(shí)驗(yàn)上可以測量”，其量子場論微擾級數(shù)卻是發(fā)散的。此后，如何為這一可測量的物理量建立可靠的理論描述，成為一個懸而未決的問題。
 

　　解決這個問題的關(guān)鍵，在于研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了一個特殊的運(yùn)動學(xué)區(qū)域：兩束粒子近乎背對背的方向。他們發(fā)現(xiàn)，原本導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散的紅外貢獻(xiàn)，會隨著兩束粒子越接近背對背而受到壓低。研究團(tuán)隊(duì)將這一機(jī)制命名為“領(lǐng)頭冪次安全”。
 

　　基于軟共線有效場論，團(tuán)隊(duì)建立了該極限下的因子化定理，將復(fù)雜的電荷關(guān)聯(lián)分解為分別描述短程反應(yīng)、噴注演化和軟輻射的不同部分。借助這一理論框架，研究人員得以對電荷關(guān)聯(lián)作出高精度預(yù)言，從而為連接理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量奠定基礎(chǔ)。
 

　　這項(xiàng)成果突破了電荷關(guān)聯(lián)長期面臨的理論瓶頸，使其有望成為精密研究強(qiáng)相互作用和電荷轉(zhuǎn)移的新工具。“領(lǐng)頭冪次安全”機(jī)制也為探索其他守恒荷關(guān)聯(lián)函數(shù)提供了新的思路，并可能開辟研究量子色動力學(xué)非微擾現(xiàn)象的新途徑。
 

　　該研究以“Edge of Safety: Charge-Charge Correlation in the Back-to-Back Limit ”為題，近期發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。論文作者包括朱華星、徐振、Pier Francesco Monni、Gherardo Vita。依照高能物理學(xué)界慣例，論文作者按姓氏字母順序排列署名。該研究得到國家自然科學(xué)基金、粒子物理前沿學(xué)科創(chuàng)新引智基地、歐洲研究理事會等支持。
 

　　引用：物理學(xué)院朱華星研究團(tuán)隊(duì)在“紅外安全邊緣”打開電荷關(guān)聯(lián)的可計(jì)算窗口-北京大學(xué)【引用時間：2026年7月31日】