QCD与强子结构 - 粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室

QCD与强子结构

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格点量子色动力学

在粒子物理学中，标准模型（Standard Model, SM）是一套描述强、弱和电磁相互作用以及所有物质的基本粒子的理论。在标准模型中关于强相互作用的基本理论就是量子色动力学(Quantum Chromodynamics, QCD)。QCD在高能区和低能区呈现出迥然不同的特性：在高能区 QCD 呈现出渐近自由 (asymptotic freedom) 和可微扰的特性，而在低能区则展现出手征对称性破缺和色禁闭等非微扰特性。不同于可以逐阶展开解析计算的微扰QCD，低能区的理论具有非常强的非微扰特性，必须利用非微扰的理论方法进行处理。目前已知的最为系统的非微扰理论方法就是格点量子色动力学 (Lattice QCD)。

格点QCD是由K. Wilson于1974年提出的，从QCD第一性原理出发的的理论。其基本思想是将量子场论中的场变量定义在离散的四维欧氏时空的格子上来研究QCD低能区的非微扰的特性。其中作为强相互作用基本自由度的夸克场和胶子场分别定义格点上和连接相邻格点的链接上，格子的分辨率和空间方向的尺寸为理论提供了紫外和红外的截断，而我们感兴趣的物理量的期望值可以由路径积分的方式进行计算。不同于微扰理论的解析求解，格点QCD需要结合大规模的Monte Carlo 数值模拟进行非微扰的计算。

总之，结合了大规模数值模拟的格点QCD是研究强相互作用的最系统的非微扰方法，近几年来随着超级计算机的不断发展有了越来越广泛的应用。

核子结构与大动量有效理论

核子内部结构是物理学研究最基本的问题之一。近一个世纪来，人们对最重要核子-质子结构的研究取得了多项突破性进展。从质子磁矩和电荷半径的测量，到夸克模型提出与夸克发现，再到描写质子微观结构基本理论量子色动力学的建立，共获得过5次诺贝尔奖。但至今为止，质子内部结构问题还没有完全解决。为了描写高能质子散射过程，R. Feynman于1969年提出了高能质子结构的部分子理论。

部分子分布函数是核子内部结构最重要的基础物理量之一，描述核子内部部分子的一维动量分布。由于它的非微扰特性，一直以来缺乏第一性原理计算。多位诺贝尔物理学奖获得者提出了不同办法，均未获成功。2013年上海交通大学QCD团队提出大动量有效理论，解决了这高悬数十年的物理问题：部分子分布函数可以经由格点色动力学进行准部分子分布获得，弥补了实验上难以测量的参数区域。

过渡到部分子三维的动量分布情况，在横向动量依赖的因子化中，软函数吸收了因子化中软胶子辐射的贡献，保证了因子化的红外安全。2019年以来，上海交通大学QCD团队在大动量有效理论的框架下，通过格点量子色动力学计算得到了软函数的数值结果。这是历史上首次从第一性原理出发得到的软函数的结果，这对人们研究横向动量依赖的物理过程有着极为重要的意义，也为下一步数值计算横向动量依赖的部分子分布奠定了基础。