北京大学物理学院马滟青课题组与合作者在Compton散射的理论精确预言中取得新进展

近日，北京大学物理学院理论物理研究所马滟青教授课题组与山东大学、贵州财经大学合作，在Compton散射的理论精确预言及朝前散射区域Glauber电子导致的双对数行为重求和研究中取得新进展。研究首次完成了Compton散射次次领头阶散射截面的计算，并将领头双对数效应重求和至所有阶。相关成果以《Compton散射次次领头阶总截面以及领头对数的重求和》（“Compton-Scattering Total Cross Section at Next-to-Nxt-to-Leading Order and Resummation of Leading Logarithms”）为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

Compton散射是最基本的量子电动力学过程之一，其观测在量子力学发展史上具有关键作用。如今，该过程在多个物理领域均有重要应用，涵盖医学物理、X射线/伽马射线天文学以及量子力学基本现象研究等。在高能粒子物理领域，Compton散射不仅可作为检验量子电动力学预言的基准过程，也是束流检测、亮度测量与极化监测的重要工具。这些未来实验对理论预言精度提出了更高要求，亟需提升Compton散射截面的计算精度。

另一方面，Compton散射次领头阶截面的解析结果显示，在高能极限下截面呈现双对数增强行为。这一行为表明该极限下存在未被抵消的软共线发散，且此类对数会破坏微扰论在高能区固定阶计算的收敛性。因此，探究双对数的起源并实现其重求和，具有重要的理论与唯象学意义。

本研究利用现代高阶计算工具，完整计算了Compton散射次次领头阶的总截面，并通过数值求解微分方程，将结果表达为关于质心能量的渐进展开分段形式。同时，提取了高能极限下的对数系数，验证了次次领头阶仍存在双对数增强行为。

在分析双对数来源方面，研究通过动量区域分析方法，揭示所有阶的领头双对数行为来源于梯子图（图1）中电子传播子的Glauber动量模式，且辐射出的软光子满足多Regge极限，即其光锥分量严格排序、横动量处于同一量级。在此极限下，研究计算了所有阶的领头对数系数，并完成了相应的全阶重求和。

图1 所有阶的Compton散射ladder图

研究进一步结合固定阶与重求和结果进行了唯象学分析，并与PrimEx及GlueX实验在高能区的Compton散射数据进行了比较。

图2 Compton散射理论与实验比较。比较了PrimEx（4.400—5.475GeV）和GlueX（6.5—11.1GeV）数据与理论的领头阶和次次领头阶+领头对数结果。次领头阶的结果与次次领头阶+领头对数的结果图上视觉效果相当，因此未被展示

对比表明，次次领头阶结合领头对数重求和的结果具有良好的微扰收敛性，对次领头阶的修正幅度在该能区仅为约0.05%。本研究为Glauber费米子相关研究提供了新范式，也为其他基本过程的高精度计算开辟了新路径。该方法可直接应用于正负电子湮灭至双光子过程、双胶子产生正负顶夸克对等高能极限下的对数行为分析，为未来对撞机相关散射过程的百分之一量级高精度计算提供了蓝图。

在该工作中，马滟青课题组博士研究生谈承泰作出了重要贡献。依照高能物理学界惯例，论文作者按姓氏字母顺序排列署名。研究得到了国家自然科学基金、北京大学高性能计算平台和北京大学高能中心的大力支持。