学科建设

理论物理学科简介

  本学科参考国际理论物理学科特点,以高能理论及相关方向为主线,同时兼顾我国国内的特点,发展统计物理和数学物理等方向。围绕着这些领域所开展的理论物理研究,是理论物理学在当前以及以后相当长时期的任务和发展趋势。科大理论物理学科涵盖弦/M理论、引力与宇宙学、数学物理、基本粒子物理理论和统计物理等相关研究领域,是国内目前比较全面且整体实力不错的少数几个研究单位之一。在这些研究方向上,本学科研究人员已取得一些创新性的研究成果,也积累了较为丰富的研究经验,具备了进一步开展创新性研究的基础。此外,学科目前在弦论、数学物理、引力理论、宇宙学、粒子物理理论和统计物理等领域也都有优秀的年轻后备力量,具有不错的发展潜力。

  从物质深层次结构和宇宙大尺度物理规律探讨的角度,近期的天文观测, 尤其是近期Planck数据, 确定了我们宇宙现阶段的物质组分为:构成如通常原子、分子的普通物质仅占约5%,暗物质占27%,暗能量占68%。现有的以粒子物理标准模型为基础的物理规律仅能描述物质世界中不到5%的物质,对占宇宙总物质成分95%的暗物质、暗能量的基本性质几乎是一无所知。另外,粒子物理标准模型也无法解释5%的普通物质在宇宙中呈现的物质-反物质的不对称性;宇宙学标准模型回答不了宇宙极早期的过程如暴涨以及原初扰动产生机制等。对上述问题的深入理解和认识,尤其是暗能量的本质问题,需要一个成功的基本量子引力理论。另外,虽然LHC基本确定了Higgs粒子的存在并使其提出者获得了2013年诺贝尔物理学奖, 但对其更深层次的理解以及解决粒子物理标准模型所面临的挑战仍需要一个包括引力在内的完善的相互作用统一理论。

  超弦/M-理论是目前已知的唯一能将广义相对论和量子力学成功统一起来的理论,被公认为是量子引力理论的有力候选者,其发展对人们对客观世界基本规律的认识已经产生非常深刻的、革命性的影响。因此,它的研究可帮助我们认识相互作用的本质,时空本质及暗能量的本质,揭示深层次的物质结构、大尺度的物理规律以及宇宙的起源和演化。国内目前在该方向研究积累和研究力量虽然近期有所提高,但仍相对薄弱,从另一方面,这也为国内超弦/M-理论界以及相关领域提供了一个迎头赶上、甚至做出有重大影响工作的机会。中国科技大学是开展该方向研究较早的高校之一,率先成立了以弦/M理论及相关专题位主要研究方向的交叉学科理论研究中心,是目前国内该领域研究力量最强的单位。

 

研究方向

 

  1) 超弦/M-理论、引力及宇宙学

  2) 量子场论、基本粒子理论及唯象学

  3) 统计物理、凝聚态理论、量子力学原理及应用。

 

师资力量

 

  本学科现有在岗教授9人,在岗副教授10人,在岗讲师1人。其中,中科院百人计划3,国家基金委优秀青年基金获得者2。 目前总计在职教研人员20人,已经形成超弦/M理论、引力及宇宙学,量子场论、基本粒子理论与唯象学,统计物理、凝聚态理论、量子力学原理及应用等稳定而又有特色的学科方向。

 

学科青年人才的部分重要研究成果

 

  1) 青年千人黄民信教授在拓扑弦方面的几个重要工作

  ♦ 系统地研究了局域Calaba-Yau流形上的Refined Topological strings,发展了多种计算方法,提出了Refined holomorphic anomaly equation并被证实,该工作得到拓扑弦创始人之一哈佛Vafa教授的引用和好评。

    “Refined stable pair invariants for E-, M- and [p, q]-strings,” JHEP 1311, 112 (2013)

  ♦ 提出了计算一类Elliptic Calabi-Yau流形上拓扑弦的新方法,是这个问题目前国际上最好的结果,给出了很高亏格(genus) 的配分函数,其在黑洞熵等物理问题有广泛应用,对相关的代数几何理论的发展提供依据。因此受邀在2015年国际弦论大会做报告。

    “Topological String on elliptic CY 3-folds and the ring of Jacobi forms,” JHEP 1510, 125(2015).

  ♦ 提出了一类量子力学系统的精确量子化条件,得到了PRL审稿人的认可。相关的系列工作建立了量子力学、几何和拓扑的一个新联系。

    “New Exact Quantization Condition for ToricCalabi-Yau Geometries,” Phys. Rev. Lett 115, 121601 (2015). 

 

  2) 基金委优秀青年基金获得者李明哲教授在极早期宇宙和原初扰动产生机制方面的工作,提出了新的Ekpyrotic宇宙学模型[PLB724 (2013) 192-197]。现有的标准极早期宇宙模型(暴涨宇宙学)存在两大问题:1)宇宙的起源问题, 2)宇宙的多重性问题。为解决这些问题,普林斯顿大学Einstein讲席教授 Steinhardt (2002年Dirac奖)及其合作者提出了所谓的 Ekpyrotic 宇宙学,使得宇宙在极早期处于收缩状态,避免暴涨图像的问题,但该宇宙学也存在原有机制产生的原初密度扰动非高斯性过大,与观测不符以及机制本身不稳定等问题。 李明哲通过引进非最小耦合而提出的新的Ekpyrotic宇宙学模型克服了原有Ekpyrotic宇宙模型中的困难,获得:近标度不变的原初密度扰动;满足高斯型统计;机制稳定,无需精细调节;对Ekpyrotic势函数无严格限制等。 该模型获得了Steinhart及其合作者进一步的推广和应用,且被 Planck 实验组2015有关非高斯性论文的引用。

 

  3) 基金委优秀青年基金获得者丁桂军(特任)教授在味物理与广义CP对称性方面的几个重要工作。

CP破坏是宇宙中物质-反物质不对称的动力学根源之。如何从对称性理解CP破坏的物理来源? 针对这些问题,丁桂军及其合作者提出了模型无关分析广义CP 对称性和味对称性的唯象预言的基本方法和步骤。所有的混合角和CP位相都只依赖于一个共同的实参数,对于低阶的味对称群A4 、S4 ,CP只能是最大破坏或者守恒。 从广义CP对称性能够很好拟合轻子混合角,且预言轻子CP位相。 构造了具有CP 对称性和A4、S4以及Δ(48)味对称性的物理模型[JHEP 1305, 084 (2013),JHEP 1312(2013)006,JHEP06(2014)023, NPB881(2014)206,PRD91 (2015)3,033003]。系统地分析了D(6n2)味对称群和广义CP对称性对轻子味混合和0nbb衰变的理论预言 [JHEP 1412(2014)007]。

 

  4) 中科院百人计划邓友金教授在统计物理相关领域的几个重要工作

  ♦ 正则系综下的有限尺寸标度律

临界点物理系统的关联长度发散意味着临界行为在不同系综下的不同。我们发现: 1.有别于Fisher重正化的正则系综临界有限尺度标度机制;2.对一些普适的无量纲物理量,正则与巨正则的值将不同,但仍普适。对于逾渗模型,一些普适的物理量在正则系综下将变成非普适量。论文发表在JPA 45 494006 (2012)和 NPB 898 157 (2015). JPA论文被 IOP评为2012年审稿人推荐的高质量文章,并因此在2014年度计算物理大会(波士顿)做邀请报告。

  ♦ 量子临界动力学

  1.量子临界普适导电率及规范场/引力场对偶猜想的数值检验,给出了玻色子临界系统的电导率-频率曲线。规范场/引力场对偶猜想在凝聚态体系的应用得到可靠而严格的检验,论文发表在 PRL 112, 030402 (2014),为PRL编辑推荐文章;2.(2+1)维U(1)临界点附近 Higgs 激发模的普适性测量,同时在超流相、Mott绝缘相及正常流体相观测到Higgs 激发模[PRL 110, 170403 (2013)];3.J-Q模型的解禁闭量子相变理论方面的研究。随着系统的增大,J-Q模型和非紧致CP1模型的临界流逐渐分开,但各自表现出了标度不变性的违背,表明至少在其中一个系统中二级相变是不太可能的[PRL 110, 185701 (2013)]。

  ♦ 图形蒙特卡洛方法

  1.二维费米-哈伯德模型的基态相图。费米-哈伯德模型是关联多体体系最简单和重要的模型之一,存在丰富物相。利用图形蒙特卡洛方法 (DMC),我们得到了二维的部分基态超导相图[EPL 110, 57001 (2015);arXiv1505.02290].

DMC核心思想是对数目繁多的费曼图及内部变量进行抽样。它是一个正在发展的新方法,我们是目前为数不多的国际研究组之一;2.自旋-轨道耦合超冷量子气体的性质及相图测定[PRL109,115301 (2012);Nature Phys.10,314(2014);PRL114, 105301 (2015)]。