基于协变重子手征微扰理论的高精度核力及其应用研究

The nuclear force plays a fundamental role in nuclear physics and serves as the basis to understand all nuclear structure and reaction phenomena. In recent years, the so-called chiral nuclear forces, first proposed by Weinberg in the 1990s, have received much attention and made remarkable progress. At present, the main issues of Weinberg chiral forces are 1) they are based on the non-relativistic baryon chiral perturbation theory and 2) they are cutoff sensitive, namely not renormalization group invariant. Because of these, they cannot be directly applied in relativstic calculations and may result in large uncertainties in few body calculations. On the other hand, in the one baryon sector covariant baryon chiral perturbation theory has been shown to converge relatively faster and satisfy all symmetry and analyticity constraints. In view of this and the fact that Lorentz covariance is an important symmetry constraint of nature, we plan to construct relativistic high precision chiral nuclear forces and hyperon-nucleon (hyperon) interactions, which can provide essential theoretical inputs to relativistic nuclear structure and reaction studies, and to explore the possibility of building a nuclear force that is renormalization group invariant. To make full advantage of such forces, we will develop relativistic ab-initio methods and study frontier nuclear and hypernuclear physics with these forces, which can provide important references or guidances for planned or ongoing experiments at large international facilities.

核力是描述从微观的原子核到宏观的中子星的最关键的理论输入，是从微观层次上理解所有核结构与核反应现象的基本出发点，在核物理研究中具有举足轻重的地位。近年来，基于 Weinberg 数幂规则的手征核力获得了巨大成功。目前，Weinberg 手征核力面临的主要问题是：基于非相对论手征微扰理论且不满足重整化群不变性。这就导致 Weinberg 手征核力无法直接应用于相对论从头计算，且在应用到少体计算时不确定度较大。针对这些问题，我们计划基于在单重子系统日益受到关注的协变重子手征微扰理论构建高精度手征核力及超子-核子（超子）相互作用，为相对论核结构、核反应研究提供关键理论输入；探索发展满足重整化群不变性的手征核力；发展相对论的从头计算方法，开展第一性原理研究。

核力是从微观层次上理解所有核结构与核反应现象的基本出发点，是开展核物理第一性原理计算的关键输入，是国际核科学大装置的主要研究目标。我们发展协变手征有效场论，在相对论框架下将手征核力计算至次次领头阶，实现了对np散射相移的准确描述，其精度可媲美非相对论次次次领头阶的结果，为开展相对论核多体研究提供了亟需的输入；系统研究了相对论手征核力的重整化群不变性、数幂规则、π介子质量依赖等问题。..超子-核子、超子-超子相互作用是核力在SU(3)味道空间的自然拓展，是超核物理与核天体物理理论研究的基本输入量。我们构建了协变手征超子-核子、超子-超子相互作用，在奇异数S=-1，-2，-3，-4双重子系统中能够很好地描述实验以及格点QCD数据；基于ALICE、BESIII实验组的最新数据，研究了散射过程的关联函数、超子电磁形状因子以及弱辐射衰变；构建了SU(3)味道空间的重子-介子相互作用，首次实现了对不同奇异数S=0，1，-1散射数据的同时描述，确认了Λ(1405)的双峰结构，预言了其存在同位旋为1的伙伴态，得到了Belle合作组实验结果的确认。..我们发展有效场论方法，探索原子核背景下核力的应用，将中子-反中子振荡以及氘核衰变这两种稀有现象联系起来；系统分析了六玻色子系统中的四体相互作用，证明了其在重整化过程中的不可或缺性；系统研究了强子物理中的诸多前沿热点问题，包括新强子态、单重子内禀性质、超出标准模型的新物理等。..在本项目资助下，项目组成员顺利完成了预定目标，得到了首个高精度相对论手征核力；发表SCI文章160篇，包括Physical Review Letters 5篇；培养硕士博士研究生27人，博士后12人；应邀在国内外会议作报告50余次；举办手征有效场论系列研讨会3次，强子谱系列研讨会3次，第一性原理核物理研究系列研讨会2次。