9月12日消息，據(jù)《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）報(bào)道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等，首次使用超冷原子光晶格系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對格點(diǎn)規(guī)范理論中“弦斷裂”現(xiàn)象的量子模擬，為探討強(qiáng)相互作用體系中的禁閉行為與相變機(jī)制，提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

據(jù)介紹，規(guī)范理論是現(xiàn)代物理學(xué)的核心框架，是描述基本粒子相互作用的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于理解凝聚態(tài)物理中的各類強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體現(xiàn)象。在高度可控的冷原子量子模擬平臺上，實(shí)現(xiàn)對規(guī)范理論的模擬，能夠基于第一性原理研究其動(dòng)力學(xué)過程，還可以探索粒子對撞機(jī)難于達(dá)到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)區(qū)域中的物理現(xiàn)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?fù)湎嗪偷湍芏囿w物理機(jī)制的工具。

近年來，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出超冷原子量子模擬器，對格點(diǎn)規(guī)范理論開展系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，并取得一系列進(jìn)展。2020年，該團(tuán)隊(duì)成功模擬施溫格模型，實(shí)驗(yàn)觀測到局域規(guī)范不變性，驗(yàn)證電動(dòng)力學(xué)中的高斯定律；2022年，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究規(guī)范理論中的熱化動(dòng)力學(xué)。近期，該團(tuán)隊(duì)對量子熱化和量子相變之間的關(guān)聯(lián)、禁閉-解禁閉相變問題等進(jìn)行系列研究。

在上述工作的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)針對格點(diǎn)規(guī)范理論中的“弦斷裂”機(jī)制開展研究。在量子色動(dòng)力學(xué)中，兩個(gè)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(gè)夸克無法孤立存在。然而，當(dāng)色荷間距超過某個(gè)臨界值時(shí)，系統(tǒng)的能量足以生成一對夸克-反夸克對，導(dǎo)致弦的斷裂。作為量子場論中的非微擾現(xiàn)象，弦態(tài)與雙介子態(tài)之間的復(fù)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(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法難以精確求解這一過程；另一方面，粒子碰撞實(shí)驗(yàn)也難以對其進(jìn)行直接觀測。

基于前期對格點(diǎn)施溫格模型中禁閉動(dòng)力學(xué)的研究，團(tuán)隊(duì)搭建了可編程光學(xué)超晶格量子模擬平臺，將格點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)初態(tài)的可控制備和多參數(shù)演化。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)演化參數(shù)，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(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)通過定量控制系統(tǒng)中費(fèi)米子質(zhì)量、弦張力和弦長度之間的關(guān)系，提取出“弦斷裂”發(fā)生時(shí)能量共振條件，揭示“弦斷裂”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制。

據(jù)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(jī)制方面的潛力，為將實(shí)驗(yàn)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?fù)淞孔酉嘧兊汝P(guān)鍵物理問題奠定了基礎(chǔ)。