關于作者
張茜| 北京航空航天大學副教授、碩士生導師。主要研究領域為強子結構與分布的晶格量子色動力學模擬。
王偉 | 上海交通大學教授、博士生導師。研究領域包括重味物理理論、重味強子弱衰變和量子色動力學
封面文章解讀：
該論文首次采用中國晶格群自主生成的構型，對含有奇異夸克的粲重子的半光衰過程進行了系統研究。 理論上，首次采用非微擾晶格QCD方法從第一性原理計算弱衰變過程形狀因子的數值結果，并利用這些形狀因子來預測一系列半衰變過程的微分寬度。 -奇異魅力重子的光衰變。 。 通過與實驗結果的相互印證，對CKM矩陣元素進行了更強的限制。 為準確檢驗標準模型、尋找標準模型之外的新物理提供更有力的理論和實驗支持。
1. 粒子物理和新物理標準模型
作為20世紀物理學最重大的成就之一，粒子物理標準模型巧妙地統一了自然界中除引力相互作用之外的三種基本相互作用，即電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。 自20世紀60年代提出以來，大量高能物理實驗證實了其準確性和強大的預測能力。 經過半個多世紀的發展，現在的粒子物理標準模型不再只是一個“模型”，而是一套精妙絕倫的理論，僅用有限數量的方程就可以涵蓋所有基本粒子——從粒子亞原子尺度到是目前最高能量對撞機實驗才能達到的能量標準。
圖 1：大型強子對撞機 LHC 的 CMS 和 ATLAS 實驗檢測到的不同物理過程的散射截面與標準模型預測的結果的比較。 左圖為不同截面過程的對比，右圖為理論預測中心值歸一化后的相對偏差。 可以看出，圖中灰色區域代表的理論預測結果與彩色部分對應的實驗測量結果在物理過程中基本一致，截面跨越13個數量級。 展示了標準模型強大的預測能力。 （來源：doi:10.1093/ptep/）
2012年，大型強子對撞機的兩個實驗合作小組聯合發現了希格斯玻色子，完成了標準模型中基本粒子拼圖的最后一塊。 但人們堅信標準模型并不是最終的理論：它的自由度太多，這對于基礎理論來說顯然顯得不“自然”； 另外，它無法解釋宇宙中大量的暗物質和暗能量，缺乏可以作為暗物質粒子的作用； 而著名的中微子振蕩問題告訴我們，中微子一定有質量，而這是標準模型無法解釋的。 因此，當前高能物理研究的重點是尋找超越標準模型的新物理。
尋找新物理的一個有效方法是測試 CKM 矩陣的幺正性。 在標準模型中，夸克的弱相互作用本征態與質量本征態不一致。 兩者之間有一個變換矩陣，稱為CKM矩陣。 CKM矩陣是描述不同代夸克之間風味混合的矩陣。 利用矩陣的幺正性，可以給出CKM矩陣不同列之間的正交關系，從而建立酉三角形。 對酉三角形進行高精度系統研究，不僅可以準確檢驗標準模型的預測，還可以通過偏離標準模型來尋找超越標準模型的新物理。 這需要理論計算和實驗測量都達到極高的標準。 準確性。 目前CKM矩陣第一行元素的測量最為準確，其單位性偏差約為千分之六； 對應的第二行 和 都與粲物理相關，主要來自粲強子的衰變，以我國為例，在很多實驗中得到了廣泛的研究。 當前行與單一性的偏差約為百分之二，并且精度遠低于第一行的結果。 因此，高精度測量與迷人強子相關的CKM矩陣元素是準確檢驗標準模型、發現標準模型之外的新物理的當務之急。
圖 2：酉三角形的實驗測量。 圖中角落的紅色圓圈表示迄今為止對CKM矩陣元素最嚴格的實驗限制。 （來源：doi:10.1093/ptep/）
2.魅力物理與晶格量子色動力學
1974年，布魯克海文國家實驗室（ ）和斯坦福直線加速器中心（ ）幾乎同時在不同類型的對撞機上探測到了第一批迷人粒子，開啟了高能物理研究的新篇章。 兩個實驗組的主要領導者丁肇中和伯頓·里克特（ ）共同獲得了1976年諾貝爾物理學獎。
自1974年以來，一系列實驗裝置系統地研究了粲粒子。 特別是近年來衰變，在我國牽頭的北京正負電子對撞機上，合作組研究了粲介子和粲重子的許多性質和特性。 衰變過程被高精度地測量。 未來，超級Tau-Charm工廠（STCF，我國高能物理領域提出的高能實驗計劃）將在閾值附近收集大量的Charm-介子對數據，并擁有一系列獨特的性質，將極大地促進粲強子的研究。 實驗研究。
然而，由于粲夸克（）的質量適中，理論上研究它存在很多困難：它不像底夸克（）那么重，以至于它的衰變過程可以完全用因式分解和微擾量子場論來描述； 它不像上夸克、下夸克和奇異夸克（）那么輕，可以用傳統的對稱性或手性有效理論來處理。 因此，如何從理論上可靠、準確地研究迷人強子的衰變寬度等物理量是當前最重要的課題之一。 迄今為止，粲域最有效的理論方法之一是晶格量子色動力學（QCD）。
圖 3：QCD 耦合常數隨能量尺度運行的結果。 在遠小于1的高能區，QCD可以通過逐級展開對進行微擾計算。 該區域體現了QCD的漸近自由特性； 而在低能區（
晶格QCD是一種基于量子色動力學第一原理的理論，是目前處理非微擾區域最系統、最可靠的方法之一。 它是由肯尼思·威爾遜（ ）于1974年提出的。其本質思想是在四維歐幾里得時空中數值模擬量子場論中的路徑積分。 具體方法類似于沙盒游戲。 將連續的四維時空離散化，然后構造足夠大尺寸和足夠高分辨率的四維超立方網格來模擬強相互作用。 在這個網格中，夸克被放置在每個點上，而膠子，作為傳遞夸克之間強相互作用的規范玻色子，被放置在網格的每個邊緣上。 由于這種四維晶格上存在數千萬條可能的路徑，因此晶格QCD研究需要利用超級計算機和持續優化算法來提高計算效率。 可以說，近年來計算機技術的不斷發展也是格子QCD理論方法能夠從眾多非微擾方法中脫穎而出的重要原因之一。
圖4：晶格QCD示意圖。 圖中的紫色點代表夸克場，橙色線代表傳遞強相互作用的膠子場。 （來源：M.@）
3.奇異魅重子弱衰變研究
晶格QCD研究的最大困難之一是生成一組動態配置。 目前，這些配置來自世界上最大的晶格QCD協作組。 近年來，隨著我國格點量子色動力學研究的不斷深入和國內格點量子色動力學研究者的努力，我國現已擁有一套完全獨立、自主生成的構型（）。 這項工作首次利用這樣的構型對含有奇異夸克的粲重子和的半光衰過程進行系統研究。
通過網格模擬并仔細考慮弱作用頂角的連續極限外推和非微擾重正化的影響，我們首次獲得了弱衰減過程的形狀因子的數值結果，并利用這些形狀因子預測了弱衰減過程的形狀因子。奇怪魅力重子的一系列半光衰變的不同寬度的后果。
圖 5：從晶格 QCD 模擬獲得的過程的六個形狀因子作為能量的函數。 （來源：doi/10.1088/1674-1137/）
無獨有偶，在理論研究不斷推進的同時，實驗測量方面的研究也取得了重大進展。 今年衰變，Belle協作組和ALICE協作組還完成了奇異魅重子半弱衰變過程的測量。 利用晶格量子色動力學模擬獲得的形狀因子結果和實驗測量的半光衰分支比，我們從第一原理給出了CKM矩陣元素的理論約束。
隨著理論和實驗研究的不斷深入，我們期望未來的實驗能夠更準確地測量奇魅重子和更迷人重子的弱衰變過程。 同時，我們可以更精確地控制網格點的誤差并改進計算。 準確性，從而對CKM矩陣元素施加更強的限制，為精確測試標準模型和尋找標準模型之外的新物理提供更有力的理論和實驗支持。