物理量子论文
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，由带电夸克和不带电胶子组成。质子内部的电荷分布半径也常用来衡量质子的大小。
2010年，物理学家精确测量了氢原子的兰姆位移(即氢原子中的电子被μ子取代)，捕捉到了质子内部电荷分布对μ子原子能级的微小影响，从而确定了电荷分布半径。兰姆位移是物理学家兰姆和雷瑟福德在1947年测得的氢原子2S(1/2)和2P(1/2)之间的能级差。
虽然Miu氢光谱实验的精确度远高于其他实验，但由此得到的电荷分布半径与之前全球实验平均值相差5个标准差，这就是所谓的质子大小之谜。2019最新的电子-质子散射和氢原子光谱实验与Miu氢的实验结果一致，这表明质子大小之谜正在逐渐被解开，实验的分歧也在逐渐缩小。
到目前为止，MuH谱的实验仍然是获得质子电荷半径最精确的实验手段。光谱学的高精度测量使得QCD的贡献在理论和实验的比较中更加重要。事实上，从Muhlam位移提取电荷分布半径的主要理论误差来自于非微扰QCD主导的双光子交换费曼图。
此次，北京大学物理研究所理论物理研究所研究员研究组与美国康涅狄格大学金助理教授合作，解决了双光子图谱的红外发散问题，开发了全新的长程相减方案以减少统计误差，并依托中国超算天津中心超级计算机“天河三号”，首次实现了双光子图谱的网格计算。在此基础上，该团队计划进一步进行更系统、更精确的计算，以最终解决“质子有多大”这一基本科学问题
以往的研究表明，格点方法也可以用来研究其他重要的光谱物理量，如超精细光谱。北大grid团队未来的一个重点是将grid QCD的研究拓展到原子光谱学，从而在夸克和胶子尺度高能物理研究和极高精度原子光谱学研究之间搭建一座跨学科的桥梁。
本文第一作者为北京大学物理研究所博士生傅洋，本科生陆参与部分计算和数据分析。上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点R&D计划、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的支持。
校对:张