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科學家在量子模擬實驗中觀測到弦斷裂現象

2025-09-12
來源:環(huán)球網

9月12日消息,據《物理評論快報》(Physical Review Letters)報道,中國科學技術大學潘建偉、苑震生等,首次使用超冷原子光晶格系統,實現對格點規(guī)范理論中“弦斷裂”現象的量子模擬,為探討強相互作用體系中的禁閉行為與相變機制,提供了重要的實驗依據。

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據介紹,規(guī)范理論是現代物理學的核心框架,是描述基本粒子相互作用的基礎,廣泛應用于理解凝聚態(tài)物理中的各類強關聯多體現象。在高度可控的冷原子量子模擬平臺上,實現對規(guī)范理論的模擬,能夠基于第一性原理研究其動力學過程,還可以探索粒子對撞機難于達到的實驗參數區(qū)域中的物理現象。因此,量子模擬器有望為高能物理問題提供新見解,成為研究凝聚態(tài)拓撲相和低能多體物理機制的工具。

近年來,研究團隊開發(fā)出超冷原子量子模擬器,對格點規(guī)范理論開展系統實驗研究,并取得一系列進展。2020年,該團隊成功模擬施溫格模型,實驗觀測到局域規(guī)范不變性,驗證電動力學中的高斯定律;2022年,該團隊進一步研究規(guī)范理論中的熱化動力學。近期,該團隊對量子熱化和量子相變之間的關聯、禁閉-解禁閉相變問題等進行系列研究。

在上述工作的基礎上,團隊針對格點規(guī)范理論中的“弦斷裂”機制開展研究。在量子色動力學中,兩個靜止色荷之間的相互作用勢,隨著距離增加呈線性增長,這一特性使得單個夸克無法孤立存在。然而,當色荷間距超過某個臨界值時,系統的能量足以生成一對夸克-反夸克對,導致弦的斷裂。作為量子場論中的非微擾現象,弦態(tài)與雙介子態(tài)之間的復雜相互作用,使得對“弦斷裂”過程的研究極具挑戰(zhàn)性。一方面,傳統數值計算方法難以精確求解這一過程;另一方面,粒子碰撞實驗也難以對其進行直接觀測。

基于前期對格點施溫格模型中禁閉動力學的研究,團隊搭建了可編程光學超晶格量子模擬平臺,將格點施溫格模型映射至光晶格超冷原子的玻色-哈伯德模型,通過精確控制原子之間的相互作用,實現對系統初態(tài)的可控制備和多參數演化。通過調節(jié)系統演化參數,體系從弦態(tài)演化至形成粒子對,并發(fā)生“弦斷裂”的“斷裂弦態(tài)”,從而完整演示“弦斷裂”物理過程。進一步,該團隊通過定量控制系統中費米子質量、弦張力和弦長度之間的關系,提取出“弦斷裂”發(fā)生時能量共振條件,揭示“弦斷裂”現象的產生機制。

據悉,上述研究展示了光晶格量子模擬器在揭示規(guī)范理論微觀機制方面的潛力,為將實驗研究拓展至更高維度和更高對稱性的規(guī)范模型,以及探索偽真空衰變、非阿貝爾規(guī)范理論、拓撲量子相變等關鍵物理問題奠定了基礎。


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