北京大学物理学院朱华星研究团队在“红外安全边缘”打开电荷关联的可计算窗口

在物质世界的最深处，藏着一个简单而深刻的谜题。夸克是构成物质的基本粒子，质子和中子皆由其构成。夸克携带分数电荷，而自然最终呈现于我们面前的质子、介子等粒子，却永远是整数电荷。在高能碰撞的瞬间，夸克究竟经历了怎样的相互作用，才得以融合成电荷整齐的粒子？科学家为此比较飞向不同方向的粒子所携带的电荷，试图从彼此的关联中重建电荷转移的轨迹，然而这条探索之路长期受阻于一个顽固的障碍：碰撞中能量极低的粒子会使理论计算发散。于是，实验能看见自然留下的痕迹，理论却给不出可靠的解释——在观测与理解之间，始终横亘着一道尚未跨越的鸿沟。

近日，北京大学物理学院朱华星教授与欧洲核子研究中心Pier Monni、Gherardo Vita，以及浙江大学徐振博士（现为德国电子同步加速器研究所DESY博士后）合作取得了一项理论突破。简单说，他们发现了一个此前未被注意的机制：过去，那些低能粒子会让计算乱成一团、给出无穷大的结果；但他们注意到，当碰撞后产生的两束粒子飞向几近相反的方向时，那些捣乱的贡献会被几何角度上的因素自然压制下去，使得计算重新变得清晰可行。他们给这个新机制取名为“领头幂次安全”，并在此基础上第一次建立了这一特殊角度下的完整理论计算框架。

机制示意图

在正负电子对撞中，电荷-电荷关联函数描述一对粒子的电荷乘积如何随两者运动方向的夹角变化。作为直接追踪强相互作用中电荷转移的观测量，电荷关联有望揭示夸克和胶子在辐射、劈裂及强子化过程中的动力学。然而，这一观测量长期受制于一个根本性的理论障碍：由低能粒子关联所引发的红外发散使得理论计算失效。

这一难题的历史可以追溯到李政道先生1979年在北京授课后整理出版的讲义《粒子物理和场论》。书中定义了电荷-电荷关联函数，并计算了二阶量子辐射修正。李政道先生当时指出，虽然电荷关联“实验上可以测量”，其量子场论微扰级数却是发散的。此后，如何为这一可测量的物理量建立可靠的理论描述，成为一个悬而未决的问题。

解决这个问题的关键，在于研究团队将目光投向了一个特殊的运动学区域：两束粒子近乎背对背的方向。他们发现，原本导致计算发散的红外贡献，会随着两束粒子越接近背对背而受到压低。研究团队将这一机制命名为“领头幂次安全”。

基于软共线有效场论，团队建立了该极限下的因子化定理，将复杂的电荷关联分解为分别描述短程反应、喷注演化和软辐射的不同部分。借助这一理论框架，研究人员得以对电荷关联作出高精度预言，从而为连接理论计算与实验测量奠定基础。

这项成果突破了电荷关联长期面临的理论瓶颈，使其有望成为精密研究强相互作用和电荷转移的新工具。“领头幂次安全”机制也为探索其他守恒荷关联函数提供了新的思路，并可能开辟研究量子色动力学非微扰现象的新途径。

该研究以“Edge of Safety: Charge-Charge Correlation in the Back-to-Back Limit ”为题，近期发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。论文作者包括朱华星、徐振、Pier Francesco Monni、Gherardo Vita。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。该研究得到国家自然科学基金、粒子物理前沿学科创新引智基地、欧洲研究理事会等支持。