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龙炳蔚 教授

 

龙炳蔚,教授,博士生导师。课题组长期招收硕博士研究生,招生方向:理论物理、粒子物理与原子核物理。同时接受本科生进行科研训练。

 

联系方式:bingwei [在] scu [点] edu [点] cn

 

教育经历:

1989 – 1995,西南师大附中,中学

1995 – 1999,重庆大学热力工程系, 本科(热能工程)

1999 – 2002,重庆大学理学院,硕士(理论物理)

2002 – 2008,University of Arizona, 博士(粒子与核物理理论)

 

工作经历:

2008 - 2010,European Centre for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Areas (ECT*, Trento, Italy),博士后研究员

2010 - 2013,Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab, Newport News, USA),博士后研究员

2013 - 2017,四川大学物理学院,副研究员

2017至今 四川大学物理学院,教授

 

研究兴趣:

有效量子场论在强相互作用物理中的理论发展以及现象学应用,特别是利用手征有效场论链接粒子物理标准模型(the Standard Model)与强耦合的核多体问题(nuclear many-body problem),建设基于标准模型之上的现代原子核理论。在Physical Review Letters、Physical Review C/D、Journal of Physics G、Chinese Physics C、Nuclear Physics A、Annals of Physics等杂志上发表论文,可以通过高能物理文献搜索引擎INSPIRE-HEP检索(在inspirehep.net上输入author bing.wei.long.1,或者点击这里)。为Physics Letter B、European Physics Journal A,Chinese Physics C、Chinese Physics Letters担任审稿人。先后负责自然基金委两项面上项目,并参与一项重点项目。

 

有效场论与原子核物理:

微观物理系统通常在线性尺度上表现出等级结构。比如,原子的大小约为R = 0.1nm(10-10米),而原子核大小在r = 10fm量级(10-15米)。所以,作为初级近似,在理解原子结构时可以视原子核为点状,而它的磁矩等形状参数带来的体积效应,依r/R ~ 10-4的幂次被压低。这里的重点是,为了研究电子的绕核运动,原子核内部结构的细节,如核子(质子与中子的合称)的波函数,并不是必需的。短程物理的信息可以通过原子核的电荷、质量以及磁矩等参数体现,我们只需要集中注意力于长程物理,即电子的绕核运动。

有效量子场论就是基于上述朴素的思想,充分利用所研究的微观粒子体系的尺度等级,减少无关(irrelevant)自由度带来的复杂性,但同时又能通过短程参数逐步引入短程物理的效应。这样,有效量子场论对统一却复杂的底层理论(the underlying theory)作近似描述;更重要却被常常忽视的是,它能够对近似中的误差进行系统性修正。另外必须强调,短程物理在有效场论中仍然必须被考虑,只是它的细节不是那么重要。在前述例子中,原子核的电荷对决定原子的库伦能级至关重要,但是这个总电荷与质子在原子核内部的具体分布没有关系。

人类已经发现了千余种稳定或半稳定的原子核。在它们参与的、极其丰富的现象背后,却是为数不多的几种典型尺度等级结构,因此运用有效场论探索原子核物理的规律是相当有希望的理论方案。核力的力程约为1.4fm,但是氘核的尺度却有~5fm,自旋单态的核子-核子散射长度更是达到了20fm左右。这暗示较轻的原子核也许距离所谓幺正极限(两体散射长度无穷大)不远,而处于幺正极限下的微观粒子体系,无论其构成的物理实体是原子,原子核,原子核团簇,强子还是重夸克,都表现出高度相似的特性,称作普适率(universality)。例如,三体束缚态能级恰好成等比数列,比值是一个与实际系统无关的普遍无量纲常数~22.7。

我们课题组的研究兴趣就在于发展各种有效场论工具,并把它们运用到原子核为主要角色的强相互作用系统中去,进一步考察核子在强耦合背景下的电磁与弱相互作用过程(例如天体物理中的重要过程:由弱相互作用引起的质子质子融合(proton-proton fusion),7Li与7Be的中子辐射俘获过程等等),甚至于探索各种可能的超出标准模型的新物理(原子核的电偶极矩、无中微子双beta衰变,原子核中的中子-反中子振荡等等)。

 

量子色动力学、手征有效场论与核力:

前面从原子核的尺度等级结构出发,强调了有效场论的优点。但是这个主张比较泛泛,而且没有回答现代核物理的一个“圣杯”问题:支配电子、中微子、夸克、胶子及其它中间玻色子,还有希格斯粒子的标准模型如何与支配核子-核子相互作用的原子核理论统一起来?

作为标准模型的组成部分之一,量子色动力学(QCD)描述夸克与胶子的相互作用,是强相互作用的基本理论。虽然核子也由QCD描述,但是在核子半径(~0.8fm)或更长的尺度上,夸克胶子之间的耦合如此强烈,迫使大量数目的夸克-反夸克对、胶子也参与形成核子。因此,在原子核尺度上求解QCD是强关联的量子多体问题,十分困难,目前只有格点QCD为代表的大规模数值模拟可以给出比较可靠的计算结果。但是格点QCD对原子核的计算代价,随核子数目指数增加。实际上,格点QCD距离计算最简单的原子核—氘核的实际质量仍然比较遥远。由于这一困难,我们需要其它的理论工具与格点QCD结合,共同完成驳接标准模型与原子核理论的科学目标。

手征有效场论就是这样一种理论工具,它的核心内容之一是描述小动量下(或者长程)pi介子的自作用以及pi介子与核子的相互作用。pi介子是最轻的强子(由夸克胶子构成的复合粒子的总称),质量约为138MeV。两个核子之间传递pi介子,是强相互作用的重要机制之一。事实上,汤川秀树就是基于对核力性质的定性考察,在理论上预言了pi介子的存在。“手征”是指QCD具有所谓的手征对称性:QCD动力学从表面上看来,在“左手”与“右手”轻夸克各自独立的、类似于同位旋的SU(2)转动下是不变的。但有趣的是,QCD的手征对称性同时又是自发破缺的。经过一系列先驱性的研究,人们发现QCD的手征对称性及其自发破缺在数学形式上对pi介子与核子相互作用形式作出了很大的限制,而在此限制之下写出的手征拉格朗日量提供了建立核物理有效场论的基本框架。

虽然pi介子-核子的动力学十分重要,但将手征有效场论用之于核力还有两方面的主要问题。

第一、pi介子交换只是核力的长程部分,核力的短程部分并不清楚(有效场论只是不知道短程物理的细节,但是核子-核子势能仍然需要短程部分来近似描写核子相互靠近时的夸克-胶子动力学)。应用重整化群理论对核力的短程部分进行大小估测,确定核力的所谓数幂规则(power counting)是本课题组长期关心的研究方向。

第二、手征有效场论并没有包含QCD的所有动力学信息,其中有大量的待定参数。我们最终当然希望这些参数由格点QCD告诉有效场论,从而构建“格点QCD->手征有效场论->核多体第一性原理计算”的方法链。不过,格点QCD只能描述处于周期性边界条件下立方体(torus)中的核子,这就需要将有效场论也考虑同样的问题,才能够从格点QCD的计算结果中攫取有用信息,这也是我们工作重点之一。

 

参考文献:

郑汉青,《量子场论》上、下,北京大学出版社

龙炳蔚,“手征核力简介”,中国科学:物理学,力学,天文学,2016年第46卷第1期:0:2004

H.-W. Hammer, S. Koenig, and U. van Kolck,“Nuclear effective field theory: status and perspectives”,arxiv:1906.12122

 

(此页面于2019年11月23日更新)


 

 

 

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