شکست خودبهخودی تقارن در نظریه میدان
شکست خودبهخودی تقارن زمانی رخ میدهد که حالت کمانرژی یک سامانه، تقارن قوانین زیربنایی خود را رعایت نمیکند؛ سازوکاری که هم در فیزیک ذرات و هم در ماده چگال محوری است.
Definition
شکست خودبهخودی تقارن وضعیتی است که در آن معادلات یا لاگرانژین یک نظریه دارای تقارنی هستند که حالت پایه واقعی آن فاقد آن است، به طوری که تقارن به جای اینکه از دینامیک غایب باشد، توسط انتخاب خلأ پنهان میشود.
Scope
این موضوع پدیده کلی را پوشش میدهد که در آن لاگرانژین یک نظریه میدان متقارن است، اما حالت پایه آن اینگونه نیست، که منجر به مجموعهای از خلأهای تباهیده میشود. این مبحث به قضیه گلدستون میپردازد که بوزونهای اسکالر بدون جرم را برای هر تقارن سراسری پیوسته که خودبهخودی شکسته شده است، پیشبینی میکند؛ همچنین به چگونگی جذب این بوزونهای گلدستون بالقوه هنگامی که تقارن پیمانهای میشود، و کاربردهای گسترده آن از ابررسانایی تا بخش الکتروضعیف میپردازد.
Core questions
- چگونه قوانین یک نظریه میتوانند متقارن باشند در حالی که حالت پایه آن اینگونه نیست؟
- چرا شکستن یک تقارن سراسری پیوسته، بوزونهای گلدستون بدون جرم تولید میکند؟
- چه اتفاقی برای بوزونهای گلدستون میافتد وقتی تقارن شکسته شده یک تقارن پیمانهای است؟
- چگونه همین سازوکار در ابررسانایی و در فیزیک ذرات ظاهر میشود؟
Key concepts
- خلأهای تباهیده
- پارامتر نظم و مقدار چشمداشتی خلأ
- بوزونهای گلدستون
- شکست تقارن کایرال
- تقارن پنهان
- ارتباط با سازوکار هیگز
Key theories
- قضیه گلدستون
- گلدستون نشان داد که شکست خودبهخودی یک تقارن سراسری پیوسته، برای هر مولد شکسته شده، یک بوزون اسکالر بدون جرم تولید میکند؛ نتیجهای که طیف نظریههای با تقارن شکسته شده را محدود میکند.
- شکست دینامیکی تقارن
- نامبو و یونا-لاسینیو، با قیاس با ابررسانایی، نشان دادند که برهمکنشها میتوانند به صورت دینامیکی جرم فرمیونها را تولید کرده و تقارن کایرال را به صورت خودبهخودی بشکنند، با بوزونهای تقریباً بدون جرم مرتبط مانند پیون.
Mechanisms
هنگامی که یک پتانسیل میدان به جای یک حداقل متقارن واحد، مجموعهای پیوسته از حداقلها را دارد، سامانه باید یک حداقل را انتخاب کند، و تحریکات کوچک در امتداد جهتهای مسطح پتانسیل هیچ انرژیای هزینه نمیکنند و به صورت بوزونهای گلدستون بدون جرم ظاهر میشوند. اگر تقارن شکسته شده به جای سراسری، موضعی باشد، این مُدهای بدون جرم فیزیکی نیستند، بلکه به مؤلفههای طولی بوزونهای پیمانهای تبدیل میشوند که از این طریق از طریق سازوکار هیگز جرم کسب میکنند.
Clinical relevance
شکست خودبهخودی تقارن زیربنای سازوکار هیگز است که به بوزونهای پیمانهای الکتروضعیف جرم میدهد، سبکی پیون را به عنوان یک بوزون گلدستون تقریبی از شکست تقارن کایرال توضیح میدهد، و یک مفهوم یکپارچهکننده را ارائه میدهد که فیزیک ذرات را به ابررسانایی، مغناطیس و سایر گذارهای فاز مرتبط میکند.
History
ایده اینکه یک نظریه متقارن میتواند حالت پایه نامتقارن داشته باشد، در حدود سال ۱۹۶۰ توسط نامبو از نظریه ابررسانایی به فیزیک ذرات وارد شد، که آن را برای تولید جرم دینامیکی به کار برد. قضیه گلدستون در سال ۱۹۶۱ ظهور بوزونهای بدون جرم را اثبات کرد، و راهحل چگونگی اجتناب از آنها در نظریههای پیمانهای مستقیماً به سازوکار هیگز و نظریه الکتروضعیف منجر شد، و نامبو در سال ۲۰۰۸ جایزه نوبل را دریافت کرد.
Key figures
- Jeffrey Goldstone
- Yoichiro Nambu
- Philip Anderson
- Steven Weinberg
Related topics
Seminal works
- goldstone1961
- nambu1961
Frequently asked questions
- بوزون گلدستون چیست؟
- بوزون گلدستون یک ذره اسکالر بدون جرم است که وقتی یک تقارن سراسری پیوسته به صورت خودبهخودی شکسته میشود، ظاهر میشود، و برای هر مولد تقارن شکسته شده یک بوزون از این نوع وجود دارد. در نظریههای پیمانهای، این مُدها توسط بوزونهای پیمانهای جذب میشوند.
- آیا شکست خودبهخودی تقارن منحصر به فیزیک ذرات است؟
- خیر. این یک پدیده کلی است که فرومغناطیس را نیز توصیف میکند، جایی که تقارن چرخشی توسط جهت مغناطش شکسته میشود، و ابررسانایی، که کاربردهای فیزیک ذرات در اصل از آن وام گرفته شدهاند.