基于量子计算的高能核物理研究

高能核物理旨在探索和理解物质在夸克与胶子层次的组成及演化的基本规律.然而,从量子色动力学第一性原理出发来求解高能核物理,经典计算却存在本质困难.近几年来,量子计算因给模拟高能核物理提供了潜在的根本性解决方案而受到了较大的关注.本文简要回顾了高能核物理量子模拟的现状,介绍了态制备及光锥关联函数测量等典型量子算法,并通过强子散射振幅和有限温有限密物质相结构的研究,分别展示了量子计算在解决高能核物理中含时问题和符号问题上的优势.

不同位置的Mn掺杂对ZnO量子点的电磁特性影响

采用基于态密度泛函理论的第一性原理赝势法,分析了直径为1.2 nm的ZnO量子点体系(Zn_(45)O_(45)H_(72),并经H钝化)在中心、中间、表面三种不同位置Mn掺杂情况下的晶体结构、能带结构、态密度分布和磁性.模拟结果表明:中间位置掺杂时,体系的结合能最低,同时导电性能最好;中心位置掺杂略劣于中间位置掺杂;而表面位置掺杂时,结合能明显偏高,同时导电性能明显减弱.在磁性方面,随着掺杂位置变化,体系中各原子的总磁矩和磁矩分布会发生明显变化,但体系的总磁矩基本不变.

格点量子色动力学数据的虚部分布与信号改进

通过分析淬火近似下高统计量格点两点关联函数实部与虚部对规范场采样的分布,给出了一种可能的实、虚部分布间的定量关系,并通过计算实部与虚部的非平庸统计相关性对该关系加以验证.利用该实、虚部的统计相关性,格点关联函数的方差可以得到约40%的改进.这些结果为进一步理解格点计算中统计误差的物理来源以及发展信号改进方案提供了全新的思路.

LHCb实验利用电弱探针与光诱导过程研究核物质效应的进展

本文介绍了LHCb实验中的两项重要研究,旨在以电弱相互作用玻色子为工具探索原子核中的部分子分布函数(nuclear parton distribution functions,n PDFs).第一项研究利用质子-铅核对撞数据测量了Z玻色子的产生,用Z玻色子作为探针研究量子色动力学(quantum chromodynamics,QCD)和nPDFs.通过测量Z玻色子的产生截面,研究人员可以更准确地确定和理解部分子在核物质环境中的分布,从而完善现有的QCD理论并提高nPDFs的精度.第二项研究在铅核-铅核超周边对撞中研究了J/ψ和ψ(2S)介子的光致产生.这种对撞中,两个铅核通过光子和核内胶子的相互作用产生粲夸克偶素.相干光致产生涉及光子与整个原子核的胶子相互作用,能量交换较小,原子核保持完整.该研究验证了现有的微扰QCD和胶子交换模型,并提供了关于核遮蔽效应和核内胶子分布的重要信息.LHCb实验首次测量了粲夸克偶素随横动量变化的相干光致产生截面,并观测到了衍射效应,为未来高能核物理研究提供了宝贵数据.

基于量子计算的强子结构研究

回顾了应用量子计算机研究强子部分子结构的两种方法,它们分别是:(1)直接通过光锥关联函数来计算部分子分布函数(PDFs);(2)通过计算强子张量再结合QCD因子化定理来提取PDFs。基于第二种方法并应用文献(LI T,GUO X,LAI WK,et al.Phys Rev D,2022,105(11):L111502)发展出的量子算法,提出了计算强子张量的量子计算方法。为了验证量子算法的正确性,计算了Schwinger模型的强子张量,发现量子计算经典模拟给出的结果与精确对角化的结果相符。最后,简要地讨论了通过上述第二种方法计算PDFs需要消耗的量子计算资源。

中国极化电子离子对撞机计划

轻子散射实验是探索核子与原子核结构的理想工具。中国电子离子对撞机(Electron Ion Collider in China,EicC)建议书设想在已开建的强流重离子加速器装置(High Intensity heavy ion Accelerator Facility,HIAF)的基础上,升级质子束流为20 GeV的极化束流,并建造2.8~5 GeV极化电子束流,从而实现质心系能量为15~20 GeV的双极化电子-离子对撞。EicC设计的亮度为(2~4)×10^33cm^-2·s^-1,质子束流极化率达到70%,电子束流极化率达到80%。该装置除了能提供极化轻离子束流(例如:氦-3)外,也可产生非极化重离子束流(碳-12~铀-238)。EicC将聚焦核子海夸克部分子结构、原子核物质结构与性质、奇特强子态三个方面的物理研究。高亮度、高精度的对撞机有助于精确地测量核子结构函数并对核子进行三维成像,揭示强相互作用的动力学规律;原子核部分子分布包括核子短程关联以及原子核介质效应同样是该提案的重要科学目标;EicC能区接近重味夸克产生阈值,在研究重味强子谱方面拥有低背景的独特优势,有助于发现研究新的奇特强子态。质子质量起源问题也可以通过重味矢量介子的产生来研究。为了完成上述物理目标,我们将利用最先进的探测器技术建造接近全立体角覆盖的EicC对撞机谱仪。在准备EicC白皮书的过程中,我们得到世界各国专家的支持。EicC的物理与已有的实验和美国即将建设的EIC中的物理项目相互补充。EicC的建成及运行有望引领前沿的中高能核物理研究,使我国在加速器和探测器先进技术等领域实现跨越式发展,为我国核物理与强子物理以及相关科学领域提供大型综合实验平台与人才培养基地。

电子束离子阱光谱标定和Ar^(13+)离子M1跃迁波长精密测量

高电荷态离子精细结构跃迁波长的精密测量不仅可以检验量子电动力学(quantum electrodynamics,QED)效应、电子关联效应等基本物理模型,还能够为天体物理、聚变等离子体物理甚至高电荷态离子光钟等研究提供关键原子物理数据.本工作基于复旦大学现代物理研究所的高温超导电子束离子阱(SH-HtscEBIT)装置,搭建了一套新的光谱校刻系统,并结合内校刻与外校刻的方法对其光谱波长测量的不确定度进行了评估,新的光谱校刻系统在可见光波段引起的波长不确定度最低达到0.002 nm.在此基础上,使用SH-HtscEBIT装置结合新的校刻系统开展了Ar^(13+)离子1s^(2)2s^(2)2p^(2)P_(1/2)-^(2)P_(3/2)磁偶极跃迁(M1)波长的精密测量,实验测得该跃迁波长为(441.2567±0.0026)nm,是目前SH-HtscEBIT上测量精度最高的实验结果,为下一步开展高电荷态离子超精细分裂和同位素位移等精密测量实验奠定了基础.

正负电子对撞中类底夸克偶素的线形

在重夸克自旋对称性下构造量子数为J^(PC)=1^(--)的P波B(*)B(*)有效相互作用势,代入李普曼-史温格方程求得e^(+)e^(-)→B(*)B(*)的散射振幅,发现对应的散射截面可以解释现有的实验数据.研究发现底夸克偶素的质量移动很小,主要是由于底夸克偶素和■道的有效耦合比较小.因此,e^(+)e^(-)→B(*)B(*)截面上的峰结构主要是Υ(4S),Υ(3D),Υ(5S)和Υ(6S)的贡献.能量在10.63 GeV处的窄峰值结构需要实验上进一步细致扫描和理论上拟合公式的优化.

非互易Aubry-André模型的经典电路模拟

非厄米的引入扩展了传统厄米量子系统中的概念并诱导出许多新奇的物理现象,比如非厄米系统所独有的非厄米趋肤效应,这使得对非厄米量子模型的模拟成为大家关注的热点.相比于量子平台,经典系统具有成本低廉、技术成熟、室温条件等优势,而其中的经典电路系统则更加灵活,原则上可以模拟任意维度、任意格点间跃迁、任意边界条件下的量子紧束缚模型,已经成为模拟量子物态的有力平台.本文利用经典电路通过SPICE成功模拟了一个重要的非厄米量子模型——非互易Aubry-André模型——的稳态性质,此模型同时具有非互易的格点跃迁和准周期的格点在位势.以此为例,详细介绍了如何建立经典电路的拉普拉辛形式与量子紧束缚模型哈密顿矩阵在不同边界条件下的映射,尤其是如何利用电流型负阻抗变换器构建模型的非互易性.然后,根据电路的格林函数,通过AC电流驱动并测量电压响应的方式,用SPICE模拟了周期边界条件下的复能谱和相应的能谱缠绕数,以及开边界条件下的趋肤与局域模式的竞争.其中,为了使电路的响应不发散,本文还解析地给出辅助元件的设置原则.结果显示,SPICE模拟与理论计算很好地符合,为进一步的实验实现提供了详细的指导.由于本文电路设计与测量方案的普适性,原则上可以直接应用于其他非厄米量子模型的电路模拟.

低横动量Υ(1S)介子在强子气体中的分布

Υ(1S)是高能重离子碰撞中的干净探针,其研究具有重要意义.强子气体中Υ(1S)的分布受到集体流、量子效应和强相互作用三种效应的影响.此前的模型均只分析了其中一到两种效应而忽略了其他效应,将忽略的效应放入到了拟合参数中.本文从新的视角提出了两体分形模型,从物理计算而非参数拟合的方法开展研究.本文认为Υ(1S)与最相近的介子形成两体结构,与介子内部的两夸克结构具有自相似性.引入环境影响因子qfqs来描述上述三种效应影响;引入伴随因子q2来描述b,b之间的相互作用和上述三种效应的影响.通过求解概率与熵方程,得到不同碰撞条件下qfqs与q2的值.将qfqs代入到分布函数中,得到低横动量区的横动量谱并与实验对比,结果表明理论与实验符合良好.还分析了qfqs随温度的变化关系,并发现qfqs>1,这是由环境效应减少了Υ(1S)的微观状态数所致.另外,计算显示qfqs随着系统温度的降低而减小,这与随着系统膨胀强子气体影响减弱的现象相一致.

相对论重离子碰撞中光子-光子相互作用的碰撞参数依赖性

在相对论重离子碰撞中,接近光速的重离子产生的超强电磁场,由于洛伦兹收缩效应可等效为线性极化的准实光子,进而诱发光子-光子相互作用产生正负轻子对.相对论重离子对撞机RHIC和大型强子对撞机LHC上的国际合作实验在非超周边重离子碰撞中观测到相干光致产生过程,发现正负轻子对的横动量分布相比于其在超周边碰撞发生显著的展宽,为研究解禁闭物质--夸克胶子等离子体的电磁性质提供了新途径.本文主要回顾相对论重离子碰撞中光子-光子相互作用对碰撞参数依赖的实验研究,并讨论其在侦测夸克胶子等离子体电磁性质方面的重要意义.

外磁场中的粲偶素

在相对论重离子碰撞早期,会产生一个极强的磁场.初始碰撞产生的粲偶素会受到磁场的影响,进而携带磁场的信息.本文利用磁场下的两体薛定谔方程研究磁场对粲偶素的影响.利用角动量展开的方法,数值计算了不同磁场强度下粲夸克偶素的能谱.采取的方案是把三维波函数展开成不同轨道角动量以及自旋态的叠加,实际计算过程中发现,当n≤2,l≤7时能很好地满足精确度.进一步,哈密顿量可以写成H=H_(0)+(qB)^(2)H_(1)+qBP_(PS,⊥)H_(2)形式,其中H_(0),H_(1),H_(2)不依赖于B和P_(PS,⊥),因此只要计算出H_(0),H_(1),H_(2),就能求出任意B和P_(PS,⊥)下的哈密顿量.这样的数值方法在保证计算精度的同时显著减少了计算量.计算结果表明随着磁场和总动量的增加,粲偶素的质量增大,在磁场强度为20m_(x)^(2),总动量为1.8GeV时,质量的增加量为20%.

相对论重离子碰撞中的喷注淬火效应

相对论重离子碰撞中产生了高温高密解禁闭的夸克胶子等离子体(QGP),研究QGP的性质是高能核物理目前最重要的物理目标之一.其中,应用喷注淬火作为硬探针研究QGP的性质是一个非常重要的手段.喷注淬火指的是相对论重离子碰撞中产生的高能部分子穿过QGP时,通过强相互作用导致的能量损失效应.本文主要介绍喷注淬火效应的最新研究进展,具体包含喷注淬火效应对强子、喷注和喷注子结构的介质影响,以及目前理论上面临的问题和困难.

通过高能核-核碰撞中的光生过程研究原子核结构

在高能核-核碰撞实验中,接近光速运动的高带电重离子会产生极强的电磁场,从而诱导光子-光子相互作用和光子-核子相互作用的光致产生过程.这些光致产生的产物包括双轻子对和矢量介子等多种末态.近年来,超周边和偏心重离子碰撞中所产生的一系列新颖实验结果,通过与理论计算相互促进和验证,为研究原子核结构和核子分布等提供了良好的条件和独特的机遇.本论文简要介绍了相对论重离子对撞机RHIC和大型强子对撞机LHC上,超周边以及偏心相对论重离子碰撞实验在测量原子核电荷分布、胶子分布以及中子皮等方向的最新进展.

格点QCD 组态产生研究

组态是格点QCD计算的基础,本文利用开源软件Chroma产生了一组格点QCD组态,格距为0.105 fm,体积为32^(3)×64,π介子质量为220 MeV,格点上的夸克作用量采用Wilson clover作用量。这组组态可用于格点QCD中研究核子结构和强子谱等物理问题。

近质子滴线核^(28)S的β延迟γ衰变研究

在兰州重离子研究装置上,依托兰州放射性束流线,产生、分离和鉴别了同位旋第三分量TZ=−2的近质子滴线核^(28)S,并通过使用包括双面硅条探测器和高纯锗探测器在内的探测阵列,开展了^(28)S的β延迟γ衰变测量。实验准确测量了^(28)S衰变中的5条β延迟γ射线,得到了子核^(28)P相应能级的能量。首次提取出了β衰变布居到^(28)P低激发态的衰变分支比,并构筑了^(28)S的全新部分衰变纲图。本工作为将来进一步比较^(28)S和^(28)Mg间的镜像不对称性提供了精确的实验数据。

胶球的格点QCD研究

胶球是强子物理的重要研究对象,也是我国北京谱仪(BESⅢ)实验寻找的重要物理目标。格点量子色动力学作为从第一性原理出发的研究强相互作用非微扰特性的方法,是研究胶球问题的重要理论工具。本工作介绍了近年来格点量子色动力学理论对胶球性质的一些研究进展,并讨论实验上发现的若干共振态作为胶球的可能性。另外,规范场拓扑荷密度在纯规范理论中可以作为内插场算符来研究赝标量胶球性质,但在具有u,d,s动力学海夸克组态上的拓扑荷密度算符的关联函数中,只观察到轻赝标量介子η和η’的贡献。这启示我们在具有动力学海夸克的情形下,需要构造多种形式的内插场算符来研究赝标量胶球。

基于格点有效场论的原子核电荷半径微扰计算

原子核格点有效场论(Nuclear Lattice Effective Field Theory)是近些年发展起来的一种高精度原子核第一性原理计算方法。它将手征有效场论与格点量子蒙特卡罗方法有机结合起来,能够在统一的理论框架下构建核力与求解量子多体问题。近年来新发展出来的波函数匹配(wave function matching)方法与微扰量子蒙特卡罗方法(perturbative quantum Monte Carlo method)为解决著名的“符号问题”开辟了全新的路径。本工作在这些方法的基础上,通过计算两点关联函数发展出格点上电荷半径的微扰计算方法,验证计算表明了本工作的可靠性。使用手征N^(3)LO核力的计算能够很好地复现^(4)He、^(12)C与^(16)O的实验测量结果。

2018年粒子物理学热点回眸

粒子物理是研究物质的基本组成和相互作用的前沿学科。从希格斯物理、新物理寻找、中微子物理、暗物质寻找、新强子态和强作用力机制研究、以及未来对撞机研究等方面回顾了2018年粒子物理学取得的重大进展及突破。

核环境中的多重散射和能量损失

当快速部分子在核介质中传播时会和介质中的其他部分子发生多重散射,从而导致横动量展宽效应以及喷注淬火效应.本文综述了基于微扰QCD高扭度因子化计算核环境中部分子横动量展宽的最新进展,讨论了高扭度展开框架下的部分子能量损失计算及其在RHIC和LHC上高能核碰撞中领头强子产生中的应用.具体介绍了扭度-4过程的次领头阶计算,论证了核环境中双重散射的QCD因子化定理,证明了核介质性质的普适性并推导出了核介质性质的QCD演化方程,发现RHIC和LHC质子-原子核碰撞中向后快度区强子产生的核增强现象可被解释为非相干双重散射效应.进一步给出了高扭度展开框架下部分子能量损失效应对高能核核碰撞中大横动量强子谱产生的次领头阶数值计算方法,分别计算了π0,η,ρ0,?, KS0和ω等领头介子的产额及其核修正因子,讨论了不同领头强子的产额比,通过对核修正因子的理论计算与实验数据进行对比来抽取喷注输运参数,发现相对论重离子碰撞中领头强子谱的压低需要同时考虑初始喷注谱、能量损失机制和真空部分子碎裂函数这三个部分的影响.