南开大学研究团队在量子色动力学研究领域取得重要进展

强相互作用是自然界中的四种基本相互作用之一，同时也是决定物质世界能够稳定存在的根本原因，因此在现代量子场论的框架下探索强相互作用的奥秘长期以来一直是万千物理学家的夙愿。

1973年，三位美国科研人员David J. Gross、Frank Wilczek、H. David Politzer 发现基于非阿贝尔SU(3)李代数的量子色动力学(QCD)理论具有一种独特的紫外行为(渐近自由), 从而开启了强相互作用物理研究的新纪元，上述三位科学家也因此荣获了2004年度诺贝尔物理学奖。然而，即使在QCD理论建立近半个世纪的今天，人们依然无法窥探这一迷人量子理论的全貌，从而使得这一问题被美国克雷数学研究所(Clay Mathematics Institute, CMI)遴选为“千禧年大奖难题”之一。

南开大学物理科学学院王玉明教授课题组的两位研究人员(高婧博士、王玉明教授)联合德国Siegen大学Tobias Huber博士与姬尧博士(现为慕尼黑工业大学Martin Beneke教授课题组博士后)，基于量子色动力学因子化定理率先在国际上实现了“黄金硬遍举过程”(π介子的双光子产生)中形状因子的双圈图解析计算，一举打破了自1981年取得单圈图结果以来相关理论研究停滞不前的僵局，同时与德国Regensburg大学与汉堡大学联合研究小组取得的理论结果相互验证。

尤其值得指出的是，上述两组研究团队采用的是完全不同的理论方法与技术手段，且相关研究成果同天发表于预印本数据库(arXiv.org)。南开大学与Siegen 大学研究团队采用的是基于算符层次上的微扰量子色动力学因子化方案，并且借鉴了王玉明教授与中国海洋大学的沈月龙副教授于2017年构建的包含evanescent 光锥算符在内的计算相应微扰短程Wilson 系数的匹配程序 (JHEP 12 (2017) 037)。

此外，该项工作还利用了一系列计算双圈费曼图(如图1)的现代技术手段用来实现标量积分的约化以及主积分的解析计算。该项研究表明，最新取得的双圈图计算结果与未来的Belle II 实验数据对比有助于将抽取π介子光锥分布振幅形状参数的精度提高一倍(如图2)， 从而对于探索强子束缚态体系的内禀结构以及QCD动力学具有重要的科学意义。

图1：典型的双圈费曼图

图2：π介子分布振幅的形状参数

2022年2月8日，相关研究工作以“光子-π介子跃迁形状因子的次次领先阶QCD预言”(Next-to-Next-to-Leading-Order QCD prediction for the photon-pion form factor)为题, 在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目、天津市自然科学基金杰出青年项目、南开大学百名青年学科带头人研究项目等支持。

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