北大物理学院为什么在校外

北大物理学院在北京大学校内。根据查阅相关公开资料信息显示，北大物理学院并不是在北京大学校外，1946年西南联大宣布结束，北京大学迁回北平，物理系也随之复系，进入恢复时期，在历史和现在北大物理学院并没有在校外的经历。

利用格点量子色动力学，北大物理学院取得缪氢原子光谱研究突破

量子色动力学（QCD）是研究夸克和胶子之间强相互作用的基本理论。由于强相互作用在低能区的强耦合、非微扰特性，使得微扰解析的计算方法不再适用。格点量子色动力学（格点QCD）凭借超级计算机的助力，为低能QCD提供了一种非微扰的解决方案——通过对QCD系统进行蒙特卡洛模拟，我们能从第一性原理出发得到精确的理论预言与实验进行对比。这在研究核子内部结构、精确检验标准模型等多个方面，都能起到至关重要的作用。

粒子物理标准模型迄今已经得到了众多精确的检验，而寻找超出标准模型的新物理是当今粒子物理研究的主要目标之一。在高精度前沿，人们通过实验与理论的高精度对比来寻找新物理的迹象。在高阶电弱过程中，由于标准模型的贡献被高阶压低了，新物理的贡献就会被凸显出来。这使得高阶电弱过程成为人们 探索 新物理的重要实验场。理论上要精确计算高阶电弱过程中的QCD贡献，需要构造复杂的4点关联函数、提取非局域强子矩阵元等，这在格点QCD领域属于全新的开始，也是极富挑战性的工作。

理论物理研究所冯旭研究员与学生及合作者一起针对光子-W玻色子高阶圈图的计算构建了一套完整的新方法，解决了复杂关联函数计算和分析过程中的一系列技术难题，并通过我国超级计算天津中心的“天河三号原型机”超级计算机和美国阿贡国家实验室的“Mira”超级计算机，在国际上首次完成了对光子-W玻色子圈图的格点计算。从该计算出发，冯旭课题组将pion介子半轻衰变宽度的理论预言精度提高了3倍，这为高精度CKM物理提供了重要的理论信息。

这项工作最近发表在《物理评论快报》 Phys. Rev. Lett. 124, 192002 （2020）。北京大学物理学院本科生马鹏翔参与具体的计算和分析工作。冯旭为第一作者兼通讯作者，其他合作者还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）、德国波恩大学C.-Y. Seng博士。该工作得到国家自然科学基金和中国超算天津中心的支持。

此外，冯旭课题组还利用格点QCD计算了二阶电弱过程的稀有K介子衰变振幅，为实验寻找新物理提供可靠的理论对比；提出了长程核相互作用中宇称破坏的新定理，极大简化了在格点QCD框架下对宇称破坏耦合常数的计算；计算了双pion系统的无中微子双贝塔衰变振幅，为构建从格点QCD到手征有效理论再到多体核理论的无缝衔接完成了关键的第一步。以上工作均发表于《物理评论快报》 Phys. Rev. Lett. 118, 252001 （2017）; Phys. Rev. Lett. 120, 181801 （2018）; Phys. Rev. Lett. 122, 022001 （2019），冯旭为第一作者或通讯作者。

近日，北京大学物理学院冯旭课题组与康涅迪格大学助理教授靳路昶合作，首次用格点量子色动力学（格点QCD）研究缪氢原子兰姆位移，成功获得双光子交换对兰姆位移的修正。相关成果在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

质子是构成物质世界的基本粒子之一，它具有复杂的内部结构，由带电的夸克和不带电的胶子组成。质子内部的电荷分布半径，通常也被用来衡量质子大小。

2010年，物理学家通过精确测量缪氢原子（即氢原子中的电子被替换成缪子）兰姆位移(Lamb shift)，捕捉到质子内部电荷分布对缪氢原子能级造成的微小影响，从而确定了电荷分布半径。兰姆位移是物理学家Lamb和Retherford在1947年利用微波技术，测量出氢原子的2S(1/2)和2P(1/2)之间存在的能级差。

尽管缪氢光谱实验的精度远高于其他实验，但从中获得的电荷分布半径较此前全球实验平均值相差了5个标准差，即所谓的质子大小之谜。2019年，最新的电子-质子散射和氢原子光谱实验与缪氢实验结果符合，预示着质子大小之谜正在逐步破解，实验上的分歧也逐渐缩小。

迄今为止，缪氢光谱实验依然是获取质子电荷半径最精确的实验手段。光谱学高精度测量使得QCD的贡献在理论与实验对比中更加重要。事实上，从缪氢兰姆位移中提取电荷分布半径，最主要的理论误差就来源于非微扰QCD主导的双光子交换费曼图。

此次，北京大学物理学院理论物理研究所冯旭研究员课题组与康涅迪格大学靳路昶助理教授合作，解决了双光子图的红外发散问题，发展了全新的长程减除方案来降低统计误差，并依托中国超算天津中心“天河三号”超级计算机，首次实现了双光子图的格点计算。在此基础上，团队拟进一步开展更为系统、精度更高的计算，以期最终解决“质子究竟有多大”这一基本科学问题。

前述研究表明，格点方法还可用于研究超精细光谱等其他重要的光谱学物理量。北大格点团队未来的工作重点之一，是将格点QCD研究拓展至原子光谱学，为夸克和胶子尺度的高能物理研究与极高精度的原子光谱学研究构建起跨学科的桥梁。

论文第一作者为北京大学物理学院博士研究生傅杨，本科生陆辰飞参与部分计算和数据分析。前述研究工作获得国家自然科学基金、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。

校对：张亮亮