关于作者
张茜| 北京航空航天大学副教授、硕士生导师。主要研究领域为强子结构与分布的晶格量子色动力学模拟。
王伟 | 上海交通大学教授、博士生导师。研究领域包括重味物理理论、重味强子弱衰变和量子色动力学
封面文章解读：
该论文首次采用中国晶格群自主生成的构型，对含有奇异夸克的粲重子的半光衰过程进行了系统研究。 理论上，首次采用非微扰晶格QCD方法从第一性原理计算弱衰变过程形状因子的数值结果，并利用这些形状因子来预测一系列半衰变过程的微分宽度。 -奇异魅力重子的光衰变。 。 通过与实验结果的相互印证，对CKM矩阵元素进行了更强的限制。 为准确检验标准模型、寻找标准模型之外的新物理提供更有力的理论和实验支持。
1. 粒子物理和新物理标准模型
作为20世纪物理学最重大的成就之一，粒子物理标准模型巧妙地统一了自然界中除引力相互作用之外的三种基本相互作用，即电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。 自20世纪60年代提出以来，大量高能物理实验证实了其准确性和强大的预测能力。 经过半个多世纪的发展，现在的粒子物理标准模型不再只是一个“模型”，而是一套精妙绝伦的理论，仅用有限数量的方程就可以涵盖所有基本粒子——从粒子亚原子尺度到是目前最高能量对撞机实验才能达到的能量标准。
图 1：大型强子对撞机 LHC 的 CMS 和 ATLAS 实验检测到的不同物理过程的散射截面与标准模型预测的结果的比较。 左图为不同截面过程的对比，右图为理论预测中心值归一化后的相对偏差。 可以看出，图中灰色区域代表的理论预测结果与彩色部分对应的实验测量结果在物理过程中基本一致，截面跨越13个数量级。 展示了标准模型强大的预测能力。 （来源：doi:10.1093/ptep/）
2012年，大型强子对撞机的两个实验合作小组联合发现了希格斯玻色子，完成了标准模型中基本粒子拼图的最后一块。 但人们坚信标准模型并不是最终的理论：它的自由度太多，这对于基础理论来说显然显得不“自然”； 另外，它无法解释宇宙中大量的暗物质和暗能量，缺乏可以作为暗物质粒子的作用； 而著名的中微子振荡问题告诉我们，中微子一定有质量，而这是标准模型无法解释的。 因此，当前高能物理研究的重点是寻找超越标准模型的新物理。
寻找新物理的一个有效方法是测试 CKM 矩阵的幺正性。 在标准模型中，夸克的弱相互作用本征态与质量本征态不一致。 两者之间有一个变换矩阵，称为CKM矩阵。 CKM矩阵是描述不同代夸克之间风味混合的矩阵。 利用矩阵的幺正性，可以给出CKM矩阵不同列之间的正交关系，从而建立酉三角形。 对酉三角形进行高精度系统研究，不仅可以准确检验标准模型的预测，还可以通过偏离标准模型来寻找超越标准模型的新物理。 这需要理论计算和实验测量都达到极高的标准。 准确性。 目前CKM矩阵第一行元素的测量最为准确，其单位性偏差约为千分之六； 对应的第二行 和 都与粲物理相关，主要来自粲强子的衰变，以我国为例，在很多实验中得到了广泛的研究。 当前行与单一性的偏差约为百分之二，并且精度远低于第一行的结果。 因此，高精度测量与迷人强子相关的CKM矩阵元素是准确检验标准模型、发现标准模型之外的新物理的当务之急。
图 2：酉三角形的实验测量。 图中角落的红色圆圈表示迄今为止对CKM矩阵元素最严格的实验限制。 （来源：doi:10.1093/ptep/）
2.魅力物理与晶格量子色动力学
1974年，布鲁克海文国家实验室（ ）和斯坦福直线加速器中心（ ）几乎同时在不同类型的对撞机上探测到了第一批迷人粒子，开启了高能物理研究的新篇章。 两个实验组的主要领导者丁肇中和伯顿·里克特（ ）共同获得了1976年诺贝尔物理学奖。
自1974年以来，一系列实验装置系统地研究了粲粒子。 特别是近年来衰变，在我国牵头的北京正负电子对撞机上，合作组研究了粲介子和粲重子的许多性质和特性。 衰变过程被高精度地测量。 未来，超级Tau-Charm工厂（STCF，我国高能物理领域提出的高能实验计划）将在阈值附近收集大量的Charm-介子对数据，并拥有一系列独特的性质，将极大地促进粲强子的研究。 实验研究。
然而，由于粲夸克（）的质量适中，理论上研究它存在很多困难：它不像底夸克（）那么重，以至于它的衰变过程可以完全用因式分解和微扰量子场论来描述； 它不像上夸克、下夸克和奇异夸克（）那么轻，可以用传统的对称性或手性有效理论来处理。 因此，如何从理论上可靠、准确地研究迷人强子的衰变宽度等物理量是当前最重要的课题之一。 迄今为止，粲域最有效的理论方法之一是晶格量子色动力学（QCD）。
图 3：QCD 耦合常数随能量尺度运行的结果。 在远小于1的高能区，QCD可以通过逐级展开对进行微扰计算。 该区域体现了QCD的渐近自由特性； 而在低能区（
晶格QCD是一种基于量子色动力学第一原理的理论，是目前处理非微扰区域最系统、最可靠的方法之一。 它是由肯尼思·威尔逊（ ）于1974年提出的。其本质思想是在四维欧几里得时空中数值模拟量子场论中的路径积分。 具体方法类似于沙盒游戏。 将连续的四维时空离散化，然后构造足够大尺寸和足够高分辨率的四维超立方网格来模拟强相互作用。 在这个网格中，夸克被放置在每个点上，而胶子，作为传递夸克之间强相互作用的规范玻色子，被放置在网格的每个边缘上。 由于这种四维晶格上存在数千万条可能的路径，因此晶格QCD研究需要利用超级计算机和持续优化算法来提高计算效率。 可以说，近年来计算机技术的不断发展也是格子QCD理论方法能够从众多非微扰方法中脱颖而出的重要原因之一。
图4：晶格QCD示意图。 图中的紫色点代表夸克场，橙色线代表传递强相互作用的胶子场。 （来源：M.@）
3.奇异魅重子弱衰变研究
晶格QCD研究的最大困难之一是生成一组动态配置。 目前，这些配置来自世界上最大的晶格QCD协作组。 近年来，随着我国格点量子色动力学研究的不断深入和国内格点量子色动力学研究者的努力，我国现已拥有一套完全独立、自主生成的构型（）。 这项工作首次利用这样的构型对含有奇异夸克的粲重子和的半光衰过程进行系统研究。
通过网格模拟并仔细考虑弱作用顶角的连续极限外推和非微扰重正化的影响，我们首次获得了弱衰减过程的形状因子的数值结果，并利用这些形状因子预测了弱衰减过程的形状因子。奇怪魅力重子的一系列半光衰变的不同宽度的后果。
图 5：从晶格 QCD 模拟获得的过程的六个形状因子作为能量的函数。 （来源：doi/10.1088/1674-1137/）
无独有偶，在理论研究不断推进的同时，实验测量方面的研究也取得了重大进展。 今年衰变，Belle协作组和ALICE协作组还完成了奇异魅重子半弱衰变过程的测量。 利用晶格量子色动力学模拟获得的形状因子结果和实验测量的半光衰分支比，我们从第一原理给出了CKM矩阵元素的理论约束。
随着理论和实验研究的不断深入，我们期望未来的实验能够更准确地测量奇魅重子和更迷人重子的弱衰变过程。 同时，我们可以更精确地控制网格点的误差并改进计算。 准确性，从而对CKM矩阵元素施加更强的限制，为精确测试标准模型和寻找标准模型之外的新物理提供更有力的理论和实验支持。