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我最近的工作主要在高能物理理论和唯象方面,特别是非微扰量子色动力学、强子结构和计算物理。关于我工作的详细介绍,可以参看我最近的论文和报告。
量子色动力学(QCD)描述了夸克与胶子之间的相互作用,其在低能标是强耦合的 [Gross:2022hyw]。这个特点导致了色禁闭和手征对称性自发破缺等非同寻常的非微扰物理。QCD的非微扰计算是物理中最艰巨的挑战之一,但这也是揭示核物理中一些基本问题的关键。这些问题包括,夸克和胶子如何束缚在一起,束缚质子与中子的核力是如何形成的。这些强子的非微扰性质是当前与未来高能物理实验的焦点之一。这些实验包括美国杰斐逊实验室12 GeV升级以及布鲁克海文国家实验室的电子离子对撞机 (eRHIC)、欧洲核子中心的LHCb与ALICE实验、惠州HIAF设施上的电子离子对撞机、北京正负电子对撞机的BSEIII实验、日本KEK的Belle II实验以及超级陶粲工厂等等。
哈密顿形式是量子理论的基础理论框架之一,在物理中应用非常广泛。这一形式理论是非微扰的,并且通过薛定谔方程能够提供体系在振幅程度上的结构信息和实时演化信息。哈密顿形式在处理强耦合量子多体系统中是一个标准的工具,这样的体系包括原子核、原子和分子等。由狄拉克提出的光前动力学另体系在光前时间的演化。其能带来相对论动力学的若干简化,因此 是天然地描述强子的相对论量子理论。它从量子场论出发求解薛定谔方程,因此是非微扰的,并且光锥形式可以直接描述强子可观测量,包括费曼部分子图像下的物理,而后者是高能物理散射实验的现代支柱之一 [Brodsky:1997de]。计算科学(包括量子计算)的发展提供了从第一性原理出发非微扰求解量子色动力学的良机。当然,QCD的独特复杂性意味着我们需要在计算和物理方面付诸努力,并将两者相结合,而这是当前研究的核心。
基矢光前量子化(BLFQ)是一个按量子多体方法处理光锥量子色动力学的理论框架 [Vary:2009gt]。它受启发于近年来核结构计算特别是从头算方法的进展。BLFQ按照设计能够保持光锥哈密顿量的所有运动学对称性,因此能够充分利用稀疏矩阵计算技术来加速量子多体计算。BLFQ的出发点是一个有效哈密顿量,该哈密顿量定义在当前计算能力可及的模型空间。有效哈密顿量的获得由几种方法,其中一种是从正则哈密顿量出发通过重整化群的演化。这种方法在量子电动力学的计算中得到了验证。除此之外,我们还可以利用唯象模型直接获得低能标的有效相互作用。在这个方面,我们提出了一个基于全息禁闭势和单胶子交换的唯象强子模型 [Li:2015zda],并用来研究介子谱 [Li:2017mlw],所获的的光锥波函数用来计算强子可观测量和部分子分布,这在粲偶素方面结构研究方面有一定的优势 [Li:2018uif, Adhikari:2018umb, Chen:2018vdw, Lan:2019img, Lappi:2020ufv, Li:2021ejv, Babiarz:2023ebe, Wang:2023nhb]。在此基础上,我们还发展了包含动力学胶子自由度的BLFQ模型,并应用于研究核子结构 [Xu:2021wwj, Xu:2023nqv]。
非微扰重整化是求解强耦合量子场论问题的基本挑战之一。在哈密顿量形式理论中,由于显式协变性的缺失这种挑战变得更大。神奇的是光锥哈密顿量仍然能够保持簇分离原理,尽管所有的光锥费曼图具有严格的光锥时序。福克依赖重整化(FSDR)方法充分利用了这一点来发展一套针对福克空间截断的系统的非微扰重整化方案 [Karmanov:2008br]。FSDR已经被成功应用于一些(3+1)维的量子场论,包括汤川理论、标量场理论和量子电动力学。在这些计算中,自外发散被严格地消掉了。特别是在标量场理论中,最大福克空间可达3个修饰粒子,福克空间展开的收敛性得到了验证 [Li:2015iaw]。
能量动量张量刻画了一个体系的能量、动量和应力分布,对于理解强子的质量分布和起源、强子自旋的分布及起源以及强子的力学性质有至关重要的作用,也是当前理论与实验研究的前沿热点之一 [Burkert:2023wzr]。然而,对于强子能量动量张量的解释还存在若干疑团,其核心挑战在于能量动量张量本身包含相互作用。我们发展了多种方法来研究强子能量动量张量。特别是,发展了协变方法给出强子密度的统一的宏观解释 [Li:2022hyf];发展了光锥量子场论并给出强子能量动量张量的非微扰的微观波函数的表示 [Cao:2023ohj];还发展了全息量子色动力学方法计算强子能量动量张量 [Li:2023izn]。这些方法有助于理解强子的力学性质。