近日，beat365官方网站理論物理研究所馮旭和劉川教授領導的格點量子色動力學（格點QCD）研究團隊與美國康涅狄格大學靳路昶教授合作，精确計算了前向康普頓散射振幅中的關鍵物理量——減除函數（subtraction function）。該研究對于預測缪氫原子蘭姆位移和質子-中子質量差具有重要意義。

高精度的光譜學測量，如蘭姆位移，不僅是探索量子電動力學（QED）和原子結構的重要實驗手段，還能進一步揭示原子核的内部結構。2010年對缪氫原子蘭姆位移的精确測量提供了迄今最精确的質子電荷半徑值，其精度比此前實驗方法提高了一個數量級。然而，提取質子電荷半徑的理論不确定性主要來自于兩光子交換（TPE）貢獻，其中非微擾強子部分與前向康普頓散射振幅密切相關。beat365格點QCD研究團隊于2022年完成了國際上首個TPE的格點QCD計算（DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.172002），為從第一性原理出發提供精确理論輸入，并進一步提高質子電荷半徑的實驗測定精度奠定了基礎。除格點QCD方法外，現有的TPE研究主要依賴實驗數據的色散分析，并輔以有效場論、非相對論QED以及算符乘積展開等方法。其中，減除函數在色散分析中至關重要，但由于無法直接從實驗數據獲得，其不确定性長期成為相關理論計算的主要瓶頸。

北大團隊采用了接近物理點的規範場組态進行研究，并創新性地引入了優化的減除點，從而顯著提高了計算精度。研究表明，核子-π介子中間态引起的有限體積效應和時間截斷效應在計算中占有重要地位，這些效應也曾在北大團隊此前關于核子電極化率的研究（DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.141901）中産生過顯著影響。在前期研究的基礎上，北大團隊完整地計算了核子-π介子中間态的貢獻，并有效控制了相關的系統誤差，首次給出了精确的減除函數計算結果。這些結果可與手征微擾理論在低動量區域的預測及算符乘積展開在高動量區域的結果進行對比（如圖所示）。可以看出，格點QCD的計算結果顯著提升了非微擾低能區的理論預言精度。

減除函數的格點QCD計算結果（24D、32Df）與手征微擾理論（ChPT）和算符乘積展開結果（OPE）作對比。格點QCD的計算結果大幅優化了非微擾低能區的理論預言精度。

除了對缪氫原子蘭姆位移的預測具有重要意義外，減除函數在核子電磁自能的色散分析中也至關重要。格點QCD的研究結果同樣有助于減少質子-中子質量差計算中的誤差。2025年2月20日，相關研究以“前向康普頓散射振幅中減除函數的格點QCD計算”（Lattice QCD Calculation of the Subtraction Function in Forward Compton Amplitude）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）；beat365官方网站2018級博士生傅楊（現為美國麻省理工學院理論物理中心博士後）為論文第一作者，beat365官方网站2024級博士生文世達對這項工作也有重要貢獻。

上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃，以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的支持。

論文原文鍊接

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.134.071903

相關文章鍊接

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.172002

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.141901