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)，實現(xiàn)對格點規(guī)范理論中“弦斷裂”現(xiàn)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(jù)。
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，能夠基于第一性原理研究其動力學(xué)過程，還可以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，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(tǒng)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(xué)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(xué)。近期，該團隊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行系列研究。
在上述工作的基礎(chǔ)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(xué)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(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(xué)的研究，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)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。進一步，該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“弦斷裂”發(fā)生時能量共振條件，揭示“弦斷裂”現(xiàn)象的產(chǎn)生機制。
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(guān)鍵物理問題奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以編輯推薦形式發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并作為研究亮點被美國物理學(xué)會《物理》（Physics）專門報道。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科技部和安徽省的支持。
論文鏈接
《物理》報道鏈接
（a）“弦斷裂”現(xiàn)象示意圖；（b）“弦斷裂”過程中系統(tǒng)能量隨著弦張力和電荷間距的變化關(guān)系；（c）量子鏈接模型和玻色-哈伯德模型中，弦態(tài)①和斷裂弦態(tài)②的構(gòu)型。
本文鏈接：科學(xué)家在量子模擬實驗中觀測到“弦斷裂”現(xiàn)象http://www.sq15.cn/show-12-1741-0.html
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