科學家在量子模擬實驗中觀測到“絃斷裂”現象

【環球網科技綜合報道】9月12日消息，據《物理評論快報》（Physical Review Letters）報道，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等，首次使用超冷原子光晶格系統，實現對格點規範理論中“絃斷裂”現象的量子模擬，為探討強相互作用體系中的禁閉行為與相變機制，提供了重要的實驗依據。

據介紹，規範理論是現代物理學的核心框架，是描述基本粒子相互作用的基礎，廣泛應用於理解凝聚態物理中的各類強關聯多體現象。在高度可控的冷原子量子模擬平台上，實現對規範理論的模擬，能夠基於第一性原理研究其動力學過程，還可以探索粒子對撞機難於達到的實驗參數區域中的物理現象。因此，量子模擬器有望為高能物理問題提供新見解，成為研究凝聚態拓撲相和低能多體物理機制的工具。

近年來，研究團隊開發出超冷原子量子模擬器，對格點規範理論開展系統實驗研究，並取得一系列進展。2020年，該團隊成功模擬施温格模型，實驗觀測到局域規範不變性，驗證電動力學中的高斯定律；2022年，該團隊進一步研究規範理論中的熱化動力學。近期，該團隊對量子熱化和量子相變之間的關聯、禁閉-解禁閉相變問題等進行系列研究。

在上述工作的基礎上，團隊針對格點規範理論中的“絃斷裂”機制開展研究。在量子色動力學中，兩個靜止色荷之間的相互作用勢，隨着距離增加呈線性增長，這一特性使得單個夸克無法孤立存在。然而，當色荷間距超過某個臨界值時，系統的能量足以生成一對夸克-反夸克對，導致弦的斷裂。作為量子場論中的非微擾現象，弦態與雙介子態之間的複雜相互作用，使得對“絃斷裂”過程的研究極具挑戰性。一方面，傳統數值計算方法難以精確求解這一過程；另一方面，粒子碰撞實驗也難以對其進行直接觀測。

基於前期對格點施温格模型中禁閉動力學的研究，團隊搭建了可編程光學超晶格量子模擬平台，將格點施温格模型映射至光晶格超冷原子的玻色-哈伯德模型，通過精確控制原子之間的相互作用，實現對系統初態的可控制備和多參數演化。通過調節系統演化參數，體系從弦態演化至形成粒子對，併發生“絃斷裂”的“斷裂弦態”，從而完整演示“絃斷裂”物理過程。進一步，該團隊通過定量控制系統中費米子質量、弦張力和絃長度之間的關係，提取出“絃斷裂”發生時能量共振條件，揭示“絃斷裂”現象的產生機制。

據悉，上述研究展示了光晶格量子模擬器在揭示規範理論微觀機制方面的潛力，為將實驗研究拓展至更高維度和更高對稱性的規範模型，以及探索偽真空衰變、非阿貝爾規範理論、拓撲量子相變等關鍵物理問題奠定了基礎。（青雲）