中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、苑震生等首次使用超冷原子光晶格系統(tǒng)實現(xiàn)了對格點規(guī)范理論中“弦斷裂”現(xiàn)象的量子模擬，為理解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(jù)。研究成果以“編輯推薦”形式發(fā)表于《物理評論快報》，并被美國物理學(xué)會《物理》雜志作為研究亮點專門報道。
規(guī)范理論是現(xiàn)代物理學(xué)的核心框架，不僅是描述基本粒子相互作用的基礎(chǔ)，也廣泛應(yīng)用于理解凝聚態(tài)物理中的各類強關(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現(xiàn)對規(guī)范理論的模擬，不僅能基于第一性原理研究其動力學(xué)過程，還能探索粒子對撞機難于達到的實驗參數(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，并成為研究凝聚態(tài)拓撲相和低能多體物理機制的有力工具。
近年來，研究團隊開發(fā)了超冷原子量子模擬器，并對格點規(guī)范理論開展了系統(tǒng)的實驗研究，取得了一系列突破性進展。在此基礎(chǔ)上，該團隊針對格點規(guī)范理論中的弦斷裂機制進行了深入研究。在量子色動力學(xué)中，兩個靜止色荷之間的相互作用勢隨著距離的增加呈線性增長，這一特性使得單個夸克無法孤立存在。然而，當(dāng)色荷間距超過某個臨界值時，系統(tǒng)的能量足以生成一對夸克-反夸克對，進而導(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)值計算方法難以精確求解這一過程；另一方面，粒子碰撞實驗中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(xué)的研究，該團隊搭建了可編程光學(xué)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(xiàn)了對系統(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)（“費米子質(zhì)量”與“弦張力”），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)”，從而完整演示了弦斷裂物理過程。
更進一步，研究團隊通過定量控制系統(tǒng)中費米子質(zhì)量、弦張力和弦長度之間的關(guān)系，提取出了弦斷裂發(fā)生時的能量共振條件，揭示了弦斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生機制。
該工作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)范模型并深入探索偽真空衰變、非阿貝爾規(guī)范理論及拓撲量子相變等關(guān)鍵物理問題奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/mwy1-v9hk
本文鏈接：中國科大在量子模擬實驗中觀測到“弦斷裂”現(xiàn)象http://www.sq15.cn/show-11-25735-0.html
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