文章导读
你可能从未想过，一个远在1300兆电子伏特的粒子态，竟卡住了整个强相互作用物理的前进脚步。π（1300）几十年来始终处于“疑似存在”的灰色地带，不是因为实验不够强，而是理论一直跨不过三体衰变这道深渊。我们曾以为格点QCD能轻松模拟强子行为，但真实情况是：绝大多数共振态都会裂变成三个甚至更多粒子，传统方法根本无法还原其真实质量与寿命。刘川课题组这次没有绕开难题，而是直接打入三体散射的核心，用一套全新量子化条件，在国产超算上逼出了π（1300）的完整画像。
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诸多强相互作用中的未解之谜都与强子的三体散射问题密切相关，因此近年来三体散射也成为强相互作用谱学中最具挑战性的前沿课题之一。近日，北京大学物理学院理论物理研究所刘川教授课题组与合作者从第一性原理的格点量子色动力学出发，对π介子的第一激发态π（1300）开展研究，从理论上证明了其存在性，并计算了其质量与寿命。
粒子物理标准模型中的基本粒子包括夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子；其中夸克与胶子之间的强相互作用是自然界四种基本相互作用中最强的，也是使原子核得以存在的主要原因。由夸克和胶子组成的粒子统称为强子。π介子是自然界中最轻的强子，它是手征对称性自发破缺所对应的戈德斯登（Goldstone）玻色子，也是理解手征动力学的关键对象；它也是人们研究最为深入和熟悉的强子。
π介子的径向激发态π（1300）在唯象研究中具有重要意义。它很可能包含混杂态成分，其性质能够直接检验软π定理，并在与CP破坏相关的新物理研究中发挥重要的作用。π（1300）的质量几乎是基态π介子的10倍，对其开展非微扰研究也是进一步理解更具挑战性的其他强相互作用中的相关疑难的重要一步。然而，π（1300）是否在实验上被明确确认此前仍存在争议，理论上也对它知之甚少，这主要是因为该粒子会衰变到三体末态。事实上实验中观测到的大多数强子共振态都会衰变到三体乃至更多体末态，正因如此，大量共振态的性质至今仍未被充分理解。非微扰三体问题长期以来一直是强子物理中极其困难而又至关重要的理论问题，目前相关研究仍处于发展阶段。
研究涉及的几个共振态粒子的示意图及其奇点位置，其中包括π（1300）态（右侧蓝色椭圆）及对应的实验值（黑色误差棒）
围绕上述方向，刘川课题组及其合作者此前已针对各类关键挑战开展了探索性研究，包括发展适用于三体系统的量子化条件、优化关联函数收缩方法等。课题组曾首次研究并解决了ω（782）介子的三体强衰变问题（DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.211906）。在此次工作中，课题组与中国科学院近代物理研究所、德国波恩大学、瑞士伯尔尼大学以及美国乔治华盛顿大学的研究人员合作，利用中国格点合作组（CLQCD）自主产生的一系列组态，将格点计算推广到耦合衰变道，发展了相应的量子化条件，并结合有效理论的分析，利用格点QCD确认了π（1300）共振态的存在，并进一步计算了其质量与宽度，结果与实验测量完全兼容。该研究也为未来研究更复杂、也更重要的强子共振态提供了可系统推广的理论与计算范式。2026年4月8日，这一重要进展以《π（1300）共振态在格点量子色动力学中的涌现》【“Emergence of the π（1300）Resonance from Lattice QCD”】为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
北京大学物理学院2021级博士生燕浩波为论文第一作者和通讯作者，刘川为共同通讯作者。该研究得到了国家基金委重大项目“基于国产超算的格点量子色动力学关键科学问题研究”以及国家基金委博士生项目等基金的资助。
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