在粒子物理标準模型中，Cabibbo-Kobayashi-Maskawa（CKM）矩陣是一個含有關于弱相互作用味道改變信息的幺正矩陣。近幾年，人們發現一個有趣的“新物理”迹象：從核貝塔衰變和其他過程中提取的第一行CKM矩陣元暗示了幺正性的潛在違反（達到3個标準偏差）。在貝塔衰變的标準模型預言中，自由核子中的“光子-W玻色子圈圖”貢獻了主要的理論誤差。利用色散關系對該圈圖進行重新評估，人們發現了該圈圖的貢獻與之前的理論結果存在較大偏差，從而導緻了幺正性的違反。

然而，要嚴格控制光子-W玻色子圈圖計算中的各項誤差，并達到理想的精度，是非常具有挑戰性的。由于貝塔衰變處于強相互作用低能區，導緻微擾計算的方法失效。早在上世紀70年代末，人們就已經知道到光子-W玻色子圈圖的重要性，但理論計算仍然基于一定的唯象模型假設。這是一個存在于強子物理和核物理中的長期未解問題。

中子貝塔衰變過程中的光子-W玻色子圈圖，内部具有複雜的量子漲落效應。（高钰聖作圖）

幸運的是，格點量子色動力學可以從第一性原理出發，利用先進的超級計算機，給光子-W玻色子圈圖的求解提供一個非微擾的方案。2020年，beat365馮旭課題組與合作者在π介子貝塔衰變中提出了解決光子-W玻色子圈圖的方法，将非微擾強相互作用部分的理論誤差降低了10倍。理論的成功也推動了實驗的進展，瑞士PSI實驗室最新的PIONEER實驗的目标是将π介子貝塔衰變分支比的測量精度提高一個數量級，以期從實驗和理論的對比中獲取精确的CKM矩陣元。

對于自由核子貝塔衰變中的光子-W玻色子圈圖，格點計算則更具有挑戰性。經過3年多的努力，馮旭課題組和合作者首次實現了核子的光子-W玻色子圈圖計算，并分析了所有系統誤差。目前光子-W玻色子圈圖難題已成功找到解決方法，理論的主要不确定性變成核多體效應所帶來的誤差。格點量子色動力學提供的新輸入，為CKM幺正性的精确檢驗奠定了更加堅實的理論基礎。結合格點計算和其他輸入，目前第一行CKM矩陣元，偏離幺正性預言1.8個标準差。

2024年5月8日，相關研究工作以“超允許核貝塔衰變和中子貝塔衰變電弱圈圖的格點QCD計算”（Lattice QCD Calculation of Electroweak Box Contributions to Superallowed Nuclear and Neutron Beta Decays）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）；beat365官方网站博士研究生馬鵬翔（第一作者）、張兆龍對這項工作均有重要貢獻，主要合作者包括德國美因茨大學M. Gorchtein博士、美國康乃狄格大學靳路昶教授（共同通訊作者）、美國肯塔基大學劉克非教授和王筆耕博士、美國密歇根州立大學C.-Y. Seng博士。

上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃，及量子物質科學協同創新中心、beat365高能物理研究中心、國家超級計算天津中心等支持。

論文原文鍊接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.191901

參考論文鍊接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.192002