核子（质子和中子）是理解物质内部结构的重要对象。核子电极化率是描述核子内部结构的基本物理量，它揭示了核子在外部电磁场下的响应能力，可以通过康普顿散射过程测量。然而，其理论预言却面临着强相互作用低能区非微扰效应的巨大挑战。格点量子色动力学（格点QCD）从第一性原理出发，为研究核子极化率提供了强有力的工具。不过令人困惑的是，过去近20年的格点QCD计算获得的核子电极化率均显著低于实验测量值。

北京大学物理学院冯旭、刘川教授领导的格点QCD团队与美国康涅狄格大学靳路昶教授合作，对这个疑难问题开展了系统研究。在物理的参数条件下，团队利用国家超算天津中心提供的超级计算机对核子系统进行了模拟，最初得到的电极化率结果也是显著偏低，与之前的格点研究一致。所幸，北大团队没有轻下结论，也没有轻易放弃。经过深入分析，他们发现在核子极化率的计算中，核子-π介子态的贡献不可忽略。通过直接计算核子-π介子散射振幅以及π介子电生过程中的核子矩阵元，北大团队首次通过格点QCD模拟，对核子-π介子态在极化率计算中的作用进行了深入分析，发现这些态对质子极化率贡献约为60%，对中子极化率的贡献甚至达到90%。在完善核子-π介子态的贡献后，格点QCD给出的最终理论计算结果与实验测量值达成良好一致。

北大团队的研究成果揭示了红外手征量子涨落的重要性，也展示了格点QCD在解决核子结构与低能强子物理问题中的潜力。在该研究过程中所发展的方法，不仅为其他核子极化率（比如自旋极化率、推广的电磁极化率等）的计算提供了新的思路，也为未来研究π介子电弱产生反应和中微子-核子非弹性散射过程奠定了基础。

核子-光子康普顿散射过程中核子-π介子态的贡献占主导（高钰圣作图）

2024年9月30日，相关工作以“Nucleon Electric Polarizabilities and Nucleon-Pion Scattering at the Physical Pion Mass”为题在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。北京大学物理学院2020级博士生王选贺和2023级博士生张兆龙为论文共同第一作者，主要合作者还包括中国科学院理论物理研究所博士曹雄辉、北京大学2023级博士生范淙灵和2021级博士生高钰圣。

上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划，以及量子物质科学协同创新中心、北京大学高能物理研究中心、国家超级计算天津中心等的支持。