跨越核物理第一性原理计算“指数墙”：核物质关联强度远超预期

宇宙中的中子星是极为奇特的致密天体，其内部聚集着由强相互作用支配的高密度核物质。要理解中子星的内部结构、物态方程以及向夸克物质的相变过程，核物理界长期面临着一个核心挑战：如何从现实核力出发(即第一性原理)，准确预测无限核物质的宏观性质。第一性原理计算通常会遇到模型空间的指数增长问题。目前国际上主流的第一性原理计算都不得不采用各种形式的空间截断，这造成高阶关联贡献的丢失，导致难以分清究竟是核力本身存在缺陷，还是多体方法近似造成的计算结果不确定性。为了解决这一两难困境，近日北京大学物理学院核物理与核技术全国重点实验室许甫荣、裴俊琛团队发展了核物理组态相互作用量子蒙特卡洛第一性原理方法(FCIQMC)。

这是一种随机投影量子蒙卡方法，它通过在完整的希尔伯特空间中随机撒播和演化大量的行走者(walkers)，随机地模拟虚时间薛定谔方程，从而能够非微扰地投影出系统的精确波函数。FCIQMC方法利用一种精妙的“行走者湮灭”机制，抑制量子蒙卡模拟中的费米子符号问题。相比于传统的坐标空间蒙卡方法，FCIQMC在离散的组态空间中进行，无需依赖人为预先设定的试探波函数，从原理上保证了计算结果的精确性和系统误差的可控性， 从而为其它多体方法提供了严格比较的基准。

图1. FCIQMC方法的演化过程示意图

通过与MBPT、CCD、ADC(3)-D和IMSRG(2)等六种国际主流截断近似方法的结果比较，FCIQMC计算发现：在纯中子物质这种相对弱关联体系中，所有方法的计算结果都比较一致;但在对称核物质中，由于缺失高阶多体关联贡献，传统近似方法在饱和密度附近会产生约2 MeV的能量偏差，而在两倍饱和密度的高密区，被忽略的高阶关联能量贡献可超10 MeV。通过消除多体计算方法层面的不确定性，FCIQMC成功地将“多体方法误差”与“核力模型误差”解耦，为高密度环境下的核力研究提供了一个纯净舞台。高密区核力应该具有更强的排斥性，可能需要考虑夸克自由度的影响。

图2：不同多体方法对纯中子物质计算的每核子能量差别不大(左图)，而对对称核物质差别明显(右图)，FCIQMC结果揭示更强的多体关联。

相关研究以“Ab Initio Exact Calculation of Strongly Correlated Nucleonic Matter”为题，于2026年8月7日在Physical Review Letters发表。论文第一作者为北京大学物理学院技术物理系2021级博士生胡荣哲，北京大学物理学院裴俊琛、许甫荣为共同通讯作者，其他作者金少亮、甄昕、商浩宇也是(或曾是)该课题组博士生，德国美因茨大学博士后F. Marino为该论文提供了用以比较的ADC(3)-D计算。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及北京大学高性能计算平台等的支持。