封面文章解读：
本文首次采用了中国格点组独立产生的组态，对包含奇异夸克的粲重子的半轻弱衰变过程进行了系统的研究。理论上首次通过非微扰格点 QCD 的方法，从第一性原理出发计算得到弱衰变过程形状因子的数值结果，并利用这些形状因子预言了奇异粲重子一系列半轻衰变的微分宽度等结果。通过与实验结果相互印证，对 CKM 矩阵元加以更强的限制。为精确检验标准模型，寻找超出标准模型的新物理提供更强的理论和实验支持。
1.粒子物理标准模型与新物理
作为二十世纪物理学最重大的成就之一，粒子物理标准模型巧妙地统一了自然界中除引力相互作用以外的三种基本相互作用，即电磁相互作用、弱相互作用以及强相互作用。自上个世纪六十年代提出以来，已经有大量的高能物理实验证实了它的准确性和强大的预言能力。经过半个多世纪的发展，目前粒子物理的标准模型已不仅仅是一个“模型”，而是一套仅用有限个方程就可以囊括所有基本粒子的精巧优美理论——从亚原子尺度的粒子一直到目前最高能对撞机实验才能触及到的能标。
图1:大型强子对撞机 LHC 上 CMS 与 ATLAS 实验合作组探测到不同物理过程的散射截面与标准模型预言结果的对比。左图表示不同截面过程的对比，右图表示理论预言中心值归一化后相对的偏离。可以看出图中灰色区域表示的理论预言结果与彩色部分对应的实验测量的结果在截面横跨13个数量级的物理过程中，都基本符合一致。展现出标准模型强大的预言能力。（来源：doi:10.1093/ptep/ptaa104）
2012年，大型强子对撞机上两个实验合作组共同发现了希格斯玻色子，完成了标准模型中基本粒子拼图中的最后一角。但是人们坚信，标准模型并非最终理论: 它具有太多自由度，这对于一个基本理论来说，显然看上去不太“自然”；此外，它无法解释宇宙中大量存在的暗物质与暗能量，缺少能够作为暗物质的粒子；而著名的中微子振荡问题则告诉我们，中微子一定具有质量，这也是标准模型所无法解释的。因此，当下高能物理研究的重心在于，寻找超出标准模型的新物理。
寻找新物理的一种行之有效的方法是，对 CKM 矩阵的幺正性进行检验。在标准模型中，夸克的弱相互作用本征态与质量本征态并不一致，二者之间存在一个变换矩阵，称作CKM矩阵。CKM矩阵是一个3×3 的矩阵，描述了不同代夸克之间的味道混合。利用矩阵的幺正性，人们可以给出CKM矩阵不同列之间的正交性关系，并由此建立幺正三角形。对幺正三角形进行高精度系统性研究，既可以对标准模型的预言进行精确检验，也可以通过与其的偏离寻找超出标准模型的新物理，这就要求理论计算和实验测量都要达到极高的精度。目前CKM矩阵元的第一行 |Vux| 的测量是最精确的，其幺正性的偏离大约是万分之六；相应的第二行 |Vcd| 与 |Vcs| 都是与粲味物理相关的，主要来自于粲味强子的衰变，在以我国 BESIII 为例的许多实验中得到了广泛的研究。目前这一行对幺正性的偏离大约是百分之二，精度远远低于第一行的结果。因此高精度测量粲味强子相关的 CKM 矩阵元，是精确检验标准模型、寻找超出标准模型的新物理的当务之急。
图2: 实验上对幺正三角形的测量，图中 α 角顶角处的红色圆圈给出了目前实验上对 CKM 矩阵元最严格的限制。（来源：doi:10.1093/ptep/ptaa104）
2.粲物理与格点量子色动力学
1974年，布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）和斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）在不同类型的对撞机上，几乎同时探测到了第一个粲味粒子 J/ψ，为高能物理的研究掀开了新的篇章。两个实验组的主要负责人丁肇中和伯顿·里克特（Burton Richter）因此分享了1976年诺贝尔物理学奖。
自1974年以来，一系列实验装置对粲味粒子进行了系统性的研究，尤其是近年来在我国主导的北京正负电子对撞机上，BESIII合作组对粲味介子和粲味重子的很多性质和衰变过程都进行了高精度测量。未来，超级陶粲工厂（Super Tau-Charm Facility，STCF， 中国高能物理领域提出的一个高能实验计划）在阈值附近采集大量的粲介子对数据更具有一系列独特性质，将会极大地推动粲强子的实验研究。
但由于粲夸克质量适中（mc≈1.27GeV），理论上对它的研究存在重重困难：它既不像底夸克那么（mb≈4.18GeV），以至于它的衰变过程完全可以由因子化与微扰量子场论来描述；又不像上、下、奇异夸克那么轻（mu,d,s<0.1GeV），可以用传统的对称性或者手征有效理论处理。因此理论上如何可靠并精确地研究粲味强子的衰变宽度等物理量是当前最为重要的课题之一。到目前为止，在粲能区最有效的理论方法之一，就是格点量子色动力学（Lattice QCD）。
图3: QCD 耦合常数αs随能标跑动的结果。在高能区域，αs远小于1，QCD 可以通过对αs 的逐阶展开来进行微扰计算，这个区域反映了 QCD 渐近自由的特性；而低能区域（ <1GeV ）,对应 QCD 的色禁闭区域，可以由非微扰的方法（对称性、手征有效理论、格点 QCD，求和规则等）进行计算。（来源：doi:10.1093/ptep/ptaa104）
格点 QCD 是基于量子色动力学第一性原理出发的理论，是目前最系统最可靠的处理非微扰区域的方法之一。它由肯尼斯·威尔逊（Kenneth Wilson）于1974年提出，本质思想是在四维欧几里得时空中数值模拟量子场论中的路径积分。具体方法类似于沙盒游戏，将连续的四维时空离散化，然后构造一个尺寸足够大、分辨率足够高的四维超立方格子来模拟强相互作用。在这个格子中，夸克被放到每一个点上，而胶子作为传递夸克间强相互作用的规范玻色子，被安置在格子的每一条边上。由于在这个四维格子上的可能路径数以千万计，因此格点 QCD 的研究需要借助超级计算机，并且要依靠不断的优化算法来提升计算的效率。可以说近些年来计算机技术的不断发展，也是格点 QCD 这一理论方法能够从众多非微扰方法中脱颖而出的重要原因之一。
图4: 格点 QCD 示意图，图中紫色点表示夸克场，橙色线表示传递强相互作用的胶子场。（来源：M.Savage@NNPSS2015）
3.奇异粲重子 Ξc 弱衰变的研究
格点 QCD 研究的最大困难之一在于产生一组动力学的组态，目前这些组态都来自于世界上大型的格点 QCD 合作组。近年来，随着中国格点量子色动力学研究的不断深入和国内格点量子色动力学研究人员的努力，目前国内已经拥有了一套完全独立自主产生的组态（configuration）。该工作就首次采用了这样一套组态，对包含奇异夸克的粲重子 Ξc+ (csu)和 Ξc0 (csd) 的半轻弱衰变过程进行了系统的研究。
图5: 格点 QCD 模拟得到的 Ξc→Ξ 过过程六个形状因子随能量变化的形式。（来源：doi/10.1088/1674-1137/ac2b12）
巧合的是，在理论研究推进的同时，实验测量方面也取得了重大研究进展。今年 Belle 合作组和 ALICE 合作组也先后完成了对奇异粲重子 Ξc+,0 半轻弱衰变过程的测量。利用格点量子色动力学模拟得到的形状因子的结果，与实验测量的半轻弱衰变的分支比，我们从第一性原理出发给出了对 CKM 矩阵元 Vcs 的理论限制。
随着理论与实验研究的不断深入，我们期待未来实验能够对奇异粲重子 ，以及更多的粲味重子弱衰变过程进行更加精确的测量，同时在格点上能够更精细的控制误差，提高计算精度，从而对 CKM 矩阵元 Vcs 加以更强的限制，为精确检验标准模型，寻找超出标准模型的新物理提供更强的理论和实验支持。