近日，中國科學院高能物理研究所理論物理室賈宇研究員與合作者在π介子電磁形狀因子的精確預言方面取得重要進展，首次在共線因子化(collinear factorization)框架下計算了大動量轉(zhuǎn)移時π介子電磁形狀因子的次次領頭階(NNLO) QCD修正，并與已有實驗測量進行了細致的對比。 該成果于5月13日發(fā)表《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 132.201901(2024).
在強相互作用的發(fā)展進程中，π介子始終占據(jù)著中心位置。1935年湯川秀樹提出π介子作為傳遞強核力的媒介粒子，隨后于1947年在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)。作為強子世界中最輕的粒子，π介子包含著極其豐富的QCD動力學，例如色禁閉及手征對稱性自發(fā)破缺。
通過70余年的不斷探索，人們對于π介子的內(nèi)部結構的理解依然談不上完美。π介子的電磁形狀因子是一個重要的物理可觀測量，刻畫了π介子內(nèi)部的電荷分布。在過去的半個世紀中，實驗方面對于π介子的電磁形狀因子已經(jīng)進行了廣泛研究。理論方面，人們期待在大動量轉(zhuǎn)移情況下，π介子電磁形狀因子可以通過基于微擾QCD的共線因子化框架來描述。
此過程的領頭階（LO）預言早在上世紀70年代已被做出。次領頭階（NLO）QCD修正在80年代初期由三個研究小組獨立計算，但彼此之間存在差異。1987年，Braaten和Tse給出了NLO硬散射核的正確表達式。時隔近40年后，賈宇研究員與合作者首次將該過程的理論預言提升至NNLO水平，并顯式得到了NNLO硬散射核的解析表達式。作者明確驗證了共線因子化對于該可觀測量在兩圈水平的正確性。
賈宇與合作者發(fā)現(xiàn)NNLO修正的貢獻為正并且效應顯著。采用近期格點QCD預言的π介子光錐分布振幅（LCDA）作為非微擾輸入?yún)?shù)，作者給出了目前世界上最精確的微擾QCD預言，并與大量π介子電磁形狀因子在類空區(qū)域及類時區(qū)域的實驗數(shù)據(jù)進行了全面比較(圖1)。 研究發(fā)現(xiàn)該工作對于π介子LCDA的第二個Gegenbauer矩提供了很強的約束。
該論文作者是廣州大學陳龍斌副教授、華南師范大學陳文特聘研究員，中國礦業(yè)大學（北京）馮鋒副教授及賈宇。該工作受到國家自然科學基金委的杰出青年基金及中德合作基金資助。
成果鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.201901
圖1.關于π介子電磁形狀因子的微擾QCD預言與實驗測量值的對比。(左)類空區(qū)域；(右)類時區(qū)域。在共線因子化給出的理論預言中，采用了格點QCD RQCD合作組提供的關于π介子LCDA的二階矩的數(shù)值結果。
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