近日，北京大學物理學院馮旭課題組與康涅迪格大學助理教授靳路昶合作，首次用格點量子色動力學（格點QCD）研究繆氫原子蘭姆位移，成功獲得雙光子交換對蘭姆位移的修正。相關成果在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

質子是構成物質世界的基本粒子之一，它具有復雜的內部結構，由帶電的夸克和不帶電的膠子組成。質子內部的電荷分布半徑，通常也被用來衡量質子大小。

2010年，物理學家通過精確測量繆氫原子（即氫原子中的電子被替換成繆子）蘭姆位移(Lamb shift)，捕捉到質子內部電荷分布對繆氫原子能級造成的微小影響，從而確定了電荷分布半徑。蘭姆位移是物理學家Lamb和Retherford在1947年利用微波技術，測量出氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)之間存在的能級差。

氫原子的精細結構，超精細結構，以及蘭姆位移，圖片來自HyperPhysics

盡管繆氫光譜實驗的精度遠高于其他實驗，但從中獲得的電荷分布半徑較此前全球實驗平均值相差了5個標準差，即所謂的質子大小之謎。2019年，最新的電子-質子散射和氫原子光譜實驗與繆氫實驗結果符合，預示著質子大小之謎正在逐步破解，實驗上的分歧也逐漸縮小。

迄今為止，繆氫光譜實驗依然是獲取質子電荷半徑最精確的實驗手段。光譜學高精度測量使得QCD的貢獻在理論與實驗對比中更加重要。事實上，從繆氫蘭姆位移中提取電荷分布半徑，最主要的理論誤差就來源于非微擾QCD主導的雙光子交換費曼圖。

氫原子與繆氫原子（左），雙光子交換費曼圖（右），圖片來自北京大學

此次，北京大學物理學院理論物理研究所馮旭研究員課題組與康涅迪格大學靳路昶助理教授合作，解決了雙光子圖的紅外發散問題，發展了全新的長程減除方案來降低統計誤差，并依托中國超算天津中心“天河三號”超級計算機，首次實現了雙光子圖的格點計算。在此基礎上，團隊擬進一步開展更為系統、精度更高的計算，以期最終解決“質子究竟有多大”這一基本科學問題。

前述研究表明，格點方法還可用于研究超精細光譜等其他重要的光譜學物理量。北大格點團隊未來的工作重點之一，是將格點QCD研究拓展至原子光譜學，為夸克和膠子尺度的高能物理研究與極高精度的原子光譜學研究構建起跨學科的橋梁。

雙光子交換貢獻的格點QCD計算結果，圖片來自北京大學

論文第一作者為北京大學物理學院博士研究生傅楊，本科生陸辰飛參與部分計算和數據分析。前述研究工作獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃，及量子物質科學協同創新中心、北京大學高能物理研究中心、國家超級計算天津中心等支持。