近期，中國科學(xué)院高能物理研究所理論物理研究室研究員李釗課題組與合作者組建的合作團(tuán)隊(duì)取得了一項(xiàng)突破性成就。他們成功計(jì)算了頂夸克衰變寬度和底夸克b至u半輕衰變過程的在量子色動力學(xué)的次次次領(lǐng)頭階水平上的精確理論結(jié)果。這是目前全球最精確的理論計(jì)算成果，其研究成果已被美國物理學(xué)會的Physical Review D期刊以快報形式發(fā)表，并榮獲編輯推薦（Editors’Suggestion）的榮譽(yù)，同時在期刊網(wǎng)站的亮點(diǎn)欄目中得到特別展示https://journals.aps.org/prd/highlights。
頂夸克作為已知的最重基本粒子，其特性對于驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型和探尋新物理現(xiàn)象具有舉足輕重的作用。頂夸克的衰變寬度是其基本屬性的關(guān)鍵，它決定了頂夸克的壽命長度。由于頂夸克參與強(qiáng)相互作用，因此在精確計(jì)算其衰變寬度時，必須將包括膠子輻射效應(yīng)在內(nèi)的量子色動力學(xué)的高階修正考慮在內(nèi)。次領(lǐng)頭階修正的計(jì)算在20世紀(jì)90年代便已完成；而次次領(lǐng)頭階的完整數(shù)值結(jié)果則在2013年被首次得出，次次領(lǐng)頭階的完整解析結(jié)果則在2022年由王健等人的合作團(tuán)隊(duì)完成。本次科研突破，即對于頂夸克衰變過程的次次次領(lǐng)頭階的計(jì)算過程，極具挑戰(zhàn)性，涉及到了對多圈帶質(zhì)量傳播子的費(fèi)曼積分的復(fù)雜處理。
在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先運(yùn)用光學(xué)定理將衰變寬度與頂夸克自能圖的虛部建立了聯(lián)系，隨后利用現(xiàn)代方法處理費(fèi)曼積分，將積分問題轉(zhuǎn)化為解微分方程的問題，并將結(jié)果以調(diào)和多對數(shù)函數(shù)的形式表達(dá)出來，這是一種對數(shù)函數(shù)多重積分的推廣。同時還公開發(fā)布了一種程序包，以便于科研人員能夠快速且準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算。在頂夸克質(zhì)量設(shè)定為172.69 GeV的情況下，他們得到了頂夸克衰變寬度的理論預(yù)言值，精確到1.321 GeV。對于其他頂夸克質(zhì)量，理論預(yù)言結(jié)果如下圖所示：
此外，研究團(tuán)隊(duì)還成功預(yù)測了底夸克b至u半輕衰變過程中的輕子不變質(zhì)量譜和衰變寬度的精確理論值。這些成果將極大地助力實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家更精確地確定描述夸克混合的CKM矩陣元
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這項(xiàng)研究的成功離不開多方的合作與支持，包括廣州大學(xué)陳龍斌副教授、山東大學(xué)王健教授和李海濤教授、以及南京師范大學(xué)王燁凡副研究員。此外，研究還得到了國家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者項(xiàng)目和廣東省自然科學(xué)基金等機(jī)構(gòu)的資助。
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