从电荷不对称出发：更清晰地“看见”夸克如何变成强子 | CPC 封面文章解读

202导读

碎裂函数是理解夸克禁闭和强子化过程的重要工具。夸克如何演化成介子、质子等强子，一直是强相互作用研究的核心难题。长期以来，非单态碎裂函数信号极其微弱，往往淹没在海量背景噪声中，难以捕捉。近日，相关研究利用"电荷不对称性"这一巧妙的观测量，将深埋于背景中的微弱信号成功提取出来，并首次在次次领头阶（NNLO）精度下完成了系统性的测量。这一突破不仅为低能强相互作用有效模型提供了关键验证依据，也为下一代对撞机实验奠定了重要基础。该工作入选CPC 2026年第5期的封面文章，见文末原文阅读。

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物质结构的“”拆解与“重组”

面对一个复杂系统，最直观的研究思路往往是"先拆开，再组装"。探究质子内部结构，遵循的正是这一逻辑。在最简单的图像中，质子由三个夸克构成。然而在高能物理的视角下，质子的内部世界远非如此简单——它更像一锅翻腾不息的"粒子汤"，不仅有夸克和反夸克，还充斥着传递强相互作用的胶子。为了定量描述这些成分在质子内部的分布规律，物理学家引入了部分子分布函数（PDF）。

但研究质子，并不止于"拆解"。在高能对撞实验中，巨大的能量会将夸克从质子内部撞击出来。然而受"夸克禁闭"机制所限，自由的夸克无法孤立存在——随着距离拉开，强相互作用势能急剧攀升，最终从真空中"激发"出新的正反夸克对。这些粒子如同搭积木一般，重新组合成介子、介子等稳定强子。这一从夸克、胶子等微观粒子演化成可观测强子的过程，称为碎裂过程；而刻画产物动量分布规律的函数，便是碎裂函数（FF）。它是连接量子色动力学（QCD）的理论计算与实验观测的关键桥梁，也是揭示强子化机制的核心工具。

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被淹没的信号： 非单态碎裂函数

近几十年来，以 DSS、NNPDF、JAM 为代表的全局拟合研究已相当成熟，次领头阶（NLO）精度的分析趋于完善。然而，碎裂函数中有一个关键分量长期"淹没"于整体信号之中，难以有效提取——这便是非单态碎裂函数。

从物理意义上讲，单态部分描述的是夸克与反夸克"总体上"以多大概率转化为某类强子；而非单态部分刻画的，则是两者之间的差异——换言之，夸克与反夸克在强子化过程中是否呈现不同的偏好。这种差异绝非细枝末节，它承载着强相互作用中关键的非微扰信息，因而是检验 NJL 模型、Dyson-Schwinger 方程等理论的重要探针。传统全局拟合主要依赖总截面数据，而主导贡献来自单态部分及胶子。相比之下，非单态信号不仅微弱，还涉及复杂的模型假设与参数关联，致使其真实物理信息深埋于背景之中。

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另辟蹊径：用电荷不对称实现“直接投影”

图 1 | 电荷不对称的物理机制：与 的（以及和）产额的差异，直接源于夸克与反夸克碎裂概率的不同。将正负强子产额相减，海夸克和胶子贡献自动消除，留下的恰好是非单态碎裂函数的信号。

这项研究的精妙之处在于，研究者不再执着于从"总信号"中艰难甄别微弱差异，而是另辟蹊径，选取了一个对非单态信号高度敏感的观测量——电荷不对称性。

以带电介子为例，由于其价夸克结构不同（），夸克碎裂产生的概率显著高于产生。将与的产生截面相减，可以构造出如下正比关系：
此相减操作中，实验的整体归一化因子、海夸克及胶子贡献因对称性而自动抵消。这些在传统分析中作为主要误差来源的"噪声"被完美滤除，余下的纯净信号恰好构成了非单态碎裂函数的"直接投影"（图 1）。

在此基础上，研究团队首次在 QCD 次次领头阶（NNLO）精度下，联合分析了两类互补的实验过程：不涉及初态部分子分布理论预言干净的正负电子湮灭（SIA），以及提供丰富味结构信息的半单举深度非弹性散射（SIDIS）。通过全局拟合，该研究实现了迄今该领域精度最高、体系最完备的唯象分析（图 2）。

图 2|在1.3GeV处非单态碎裂函数作为光锥动量分数z的函数，并与其它条件下拟合结果、Field-Feynman模型、蒙特卡洛事件产生器以及其它组提取的碎裂函数进行比较。

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标度律的提取与轻介子的普适规律

图3|全局和单个数据集在最优值附近对的扫描，同时用散点标注了Field-Feynman模型、的模型结果以及用不同PDF(包括CT18,NNPDF40,MSHT)计算的结果。

通过对提取结果的深入分析，研究团队揭示了强子化过程中的若干重要规律：

幂律衰减与模型判据：在动量分数趋于1() 的大动量区域，即强子携带了部分子绝大部分动量的情形下，非单态碎裂函数呈现幂律衰减行为: 。实验提取出的指数（图3）与 NJL 有效模型的预言较为接近，却显著偏离 Dyson-Schwinger 方程所预言的。

"奇异抑制"现象的定量刻画：在碎裂过程中，从真空中激发奇异夸克（）比激发轻夸克（、）更为困难。本研究在 NNLO 精度下测定了概率比值图（4），即激发奇异夸克对的几率约为普通轻夸克对的一半。

轻介子的动力学普适性：在扣除奇异抑制因子的影响后，研究发现介子与介子的非单态碎裂函数呈现出极为相似的形状。这一结果表明，轻介子在碎裂过程中很可能遵循一套相对普适的动力学机制。

图4 | 在1.3GeV处 介子和介子非单态碎裂函数的比值，图中展示了各项系统误差分析，以及与Field-Feynman模型、蒙特卡洛事件生成器以及先前一些研究结果的比较。

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碎裂函数"解码表"：夸克与胶子的动力学过程

长期以来，"从夸克到强子"的这一过程犹如一个黑箱：我们虽已知晓输入与输出，却难以洞察其间的演化细节。这项研究提供了一条巧妙的路径——利用电荷不对称性，将深埋于复杂背景中的非单态信号有效剥离。借助这一策略，研究团队首次在 NNLO 精度下清晰还原了非单态碎裂函数的完整面貌，并进一步揭示了强子化过程中的若干重要规律：幂律衰减行为、奇异抑制现象，以及轻介子间可能存在的动力学普适性。

更为重要的是，这类高精度碎裂函数远非仅是理论层面的"参数表"。对于即将建设的电子-离子对撞机（EIC）、超粲工厂（STCF）等大型实验装置而言，它们是解析实验数据、抽取物理信息的重要基石。从某种意义上说，碎裂函数恰似一份"解码表"——它使我们能够将探测器捕捉到的瞬时信号，还原为夸克与胶子的真实动力学过程。正是借助这种"解码"，我们方有机会逐步逼近强相互作用最深层的奥秘。

作者介绍

刘重阳「上海交通大学粒子与核物理研究所21级博士在读，博士课题为部分子碎裂函数的全局拟合，导师为高俊教授。」

周斌「2026年1月起在海南大学物理与光电工程学院担任助理研究员。研究方向为标准模型的精确检验和部分子碎裂函数的全局拟合。」

高俊「上海交通大学教授，研究领域为对撞机粒子物理唯象学，包括量子色动力学与核子结构、顶夸克物理、希格斯及新物理等。」

编辑 | 花明