北京大学连发2篇PRL
FUTURE | 远见 闵青云 选编
赵鹏巍、孟杰研究团队与合作者揭示了原子核裂变过程中轻核的产生机制
北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室赵鹏巍研究员、孟杰教授研究团队与合作者揭示了原子核三分裂、四分裂现象中可能的轻核产生机制。
2022年4月29日，相关研究成果以「裂变原子核断裂阶段的He-4动力学合成」（Dynamical synthesis of He-4 in the scission phase of nuclear fission）为题，在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
原子核裂变是影响人类发展进程的重大科学发现之一。由于量子多体问题的复杂性，原子核裂变涉及的许多基本科学问题还有待回答，其中包括我国著名科学家钱三强、何泽慧夫妇等在1947年发现三分裂和四分裂现象中涉及轻核出射，但其产生机制至今尚缺乏微观自洽的理论解释。
赵鹏巍研究员、孟杰教授研究团队长期从事相对论密度泛函理论研究。经过多年努力，开发了在三维坐标格点空间求解相对论密度泛函理论相关的定态与动态运动方程的新方法和数值程序，为原子核结构和反应动力学研究提供了重要工具。基于自主发展的理论模型，研究团队与合作者微观研究了Pu-240的裂变过程，通过大规模数值计算，给出了原子核裂变过程的清晰演化图像，发现裂变原子核断裂发生在两个类He-4结团之间，揭示了原子核三分裂、四分裂现象中可能的轻核产生机制。
裂变原子核在断裂点附近的局域化函数分布
北京大学物理学院博士后任政学（现为德国波恩大学博士后）为论文第一作者，北京大学高端外国专家Dario Vretenar与赵鹏巍、孟杰为共同通讯作者，其他合作者包括北京大学访问学者Tamara Nikšić和深圳鹏城实验室赵杰博士。
上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技部高端外国专家引进计划、中国博士后科学基金，以及北京大学高性能计算平台等支持。
冯旭课题组利用格点量子色动力学在缪氢原子光谱研究中取得突破性进展
北京大学物理学院理论物理研究所冯旭研究员课题组与康涅迪格大学靳路昶助理教授合作，首次用格点量子色动力学（格点QCD）研究缪氢原子兰姆位移，成功获得双光子交换对兰姆位移的修正。2022年4月29日，相关工作以「缪氢兰姆位移双光子交换贡献的格点QCD计算」（Lattice QCD Calculation of the Two-Photon Exchange Contribution to the Muonic-Hydrogen Lamb Shift）为题在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
质子是构成物质世界的基本粒子之一，它具有复杂的内部结构，由带电的夸克和不带电的胶子组成。质子内部的电荷分布半径，通常也被用来衡量质子的大小。2010年，物理学家通过精确测量缪氢原子（氢原子中的电子被替换成缪子）兰姆位移，捕捉到质子内部电荷分布对缪氢原子能级造成的微小影响，从而确定了电荷分布的半径。尽管缪氢光谱实验的精度远高于其他实验，但从中获得的电荷分布半径较此前全球实验平均值相差了5个标准差——这就是所谓的质子大小之谜。2019年，最新的电子-质子散射和氢原子光谱实验与缪氢实验结果符合，预示着质子大小之谜正在逐步得以破解，实验上的分歧也在逐渐缩小。
氢原子与缪氢原子（左）；双光子交换费曼图（右）
迄今为止，缪氢光谱实验依然是获取质子电荷半径最精确的实验手段。光谱学高精度测量使得QCD的贡献在理论与实验对比中愈加举足轻重。事实上，从缪氢兰姆位移中提取电荷分布半径，最主要的理论误差就来源于非微扰QCD主导的双光子交换费曼图。为此，北京大学物理学院理论物理研究所冯旭研究员课题组与康涅迪格大学靳路昶助理教授合作，解决了双光子图的红外发散问题，发展了全新的长程减除方案来降低统计误差，并依托中国超算天津中心「天河三号」超级计算机首次实现了双光子图的格点计算（如图）。在此基础上，他们拟进一步开展更为系统、精度更高的计算，以期最终解决「质子究竟有多大」这一基本科学问题。
与此同时，冯旭课题组的研究表明，格点方法还可用于研究超精细光谱等其他重要的光谱学物理量。将格点QCD研究拓展至原子光谱学，为夸克和胶子尺度的高能物理研究与极高精度的原子光谱学研究构建跨学科的桥梁，这也将是北大格点团队未来的工作重点之一。
双光子交换贡献的格点QCD计算结果（右）
北京大学物理学院2018级博士研究生傅杨为论文的第一作者，冯旭与靳路昶为共同通讯作者，2018级本科生陆辰飞参与了部分计算和数据分析。
上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划，及量子物质科学协同创新中心、北京大学高能物理研究中心、国家超级计算天津中心等支持。
作者介绍
冯旭，北京大学理论物理研究员。
研究领域：格点量子色动力学、低能强子物理、高精度味物理、少体核物理。
2021年获得国家杰出青年科学基金资助，入选第38届国际格点场论大会国际顾问委员会，入选 Kenneth G. Wilson Lattice Award 国际评审委员会，获得北京大学黄廷方/信和青年杰出学者奖。
孟杰，北京大学理论物理专业博士。北京大学物理学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，欧洲科学院外籍院士、美国物理学会会士。
研究领域：理论核物理，在原子核的手征对称性、晕现象、赝自旋对称性和协变密度泛函理论等方面有原创性贡献。
获中国高校自然科学一等奖两次（2000年和2013年）、中国物理学会吴有训物理奖（2007年）、伊朗花拉子模国际奖（2008年）、华人物理学会亚洲成就奖（2009年）、德国金科（GENCO）奖（2010年）等荣誉，2012年当选美国物理学会会士。
赵鹏巍，北京大学物理学院研究员。2012年获北京大学理学博士学位，先后在日本京都大学、美国阿贡国家实验室从事研究工作。2018年回国加入北京大学物理学院。
研究领域：理论核物理，主要研究兴趣包括密度泛函理论、稀有同位素物理、基本对称性及其破缺的核物理检验等。
论文链接：
[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.172501[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.172002
[3]http://ppnp.pku.edu.cn/info/1013/1053.htm
[4]http://ppnp.pku.edu.cn/info/1013/1052.htm
[5]http://faculty.pku.edu.cn/fengxu/zh_CN/
--北京大学物理学院
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