Pemutusan Simetri Spontan dalam Teori Medan

Pemutusan simetri spontan terjadi ketika keadaan energi terendah suatu sistem gagal menghormati simetri dari hukum dasarnya, sebuah mekanisme yang sentral bagi fisika partikel dan materi terkondensasi.

Definition

Pemutusan simetri spontan adalah situasi di mana persamaan atau Lagrangian suatu teori memiliki simetri yang tidak dimiliki oleh keadaan dasar aktual, sehingga simetri tersebut disembunyikan oleh pilihan vakum daripada tidak ada dari dinamika.

Scope

Topik ini mencakup fenomena umum di mana Lagrangian dari teori medan bersifat simetris tetapi keadaan dasarnya tidak, yang mengarah pada serangkaian vakum degenerasi. Ini membahas teorema Goldstone, yang memprediksi boson skalar tak bermassa untuk setiap simetri global kontinu yang terputus secara spontan, cara boson Goldstone yang seharusnya ini diserap ketika simetri digauge, dan aplikasi luas dari superkonduktivitas hingga sektor elektrolemah.

Core questions

• Bagaimana hukum suatu teori bisa simetris sementara keadaan dasarnya tidak?
• Mengapa pemutusan simetri global kontinu menghasilkan boson Goldstone tak bermassa?
• Apa yang terjadi pada boson Goldstone ketika simetri yang terputus adalah simetri gauge?
• Bagaimana mekanisme yang sama muncul dalam superkonduktivitas dan dalam fisika partikel?

Key concepts

• Vakum degenerasi
• Parameter orde dan nilai ekspektasi vakum
• Boson Goldstone
• Pemutusan simetri kiral
• Simetri tersembunyi
• Koneksi ke mekanisme Higgs

Key theories

Teorema Goldstone

Goldstone menunjukkan bahwa pemutusan spontan simetri global kontinu menghasilkan satu boson skalar tak bermassa untuk setiap generator yang terputus, sebuah hasil yang membatasi spektrum teori simetri yang terputus.

Pemutusan simetri dinamis

Nambu dan Jona-Lasinio menunjukkan, dengan analogi superkonduktivitas, bahwa interaksi dapat secara dinamis menghasilkan massa fermion dan memutus simetri kiral secara spontan, dengan boson yang hampir tak bermassa terkait seperti pion.

Mechanisms

Ketika potensial medan memiliki serangkaian minima kontinu daripada satu minima simetris tunggal, sistem harus memilih satu minima, dan eksitasi kecil di sepanjang arah datar potensial tidak memerlukan energi, muncul sebagai boson Goldstone tak bermassa. Jika simetri yang terputus bersifat lokal daripada global, mode tak bermassa ini tidak bersifat fisik tetapi malah menjadi komponen longitudinal dari boson gauge, yang dengan demikian memperoleh massa melalui mekanisme Higgs.

Clinical relevance

Pemutusan simetri spontan mendasari mekanisme Higgs yang memberikan massa pada boson gauge elektrolemah, menjelaskan ringannya pion sebagai boson Goldstone perkiraan dari pemutusan simetri kiral, dan menyediakan konsep pemersatu yang menghubungkan fisika partikel dengan superkonduktivitas, magnetisme, dan transisi fase lainnya.

History

Gagasan bahwa teori simetris dapat memiliki keadaan dasar asimetris diimpor ke dalam fisika partikel dari teori superkonduktivitas sekitar tahun 1960 oleh Nambu, yang menerapkannya pada pembangkitan massa dinamis. Teorema Goldstone tahun 1961 menetapkan kemunculan boson tak bermassa, dan resolusi tentang bagaimana menghindarinya dalam teori gauge mengarah langsung ke mekanisme Higgs dan teori elektrolemah, dengan Nambu dihormati dengan Hadiah Nobel 2008.

Key figures

• Jeffrey Goldstone
• Yoichiro Nambu
• Philip Anderson
• Steven Weinberg

Seminal works

• goldstone1961
• nambu1961

Frequently asked questions

Apa itu boson Goldstone?

Boson Goldstone adalah partikel skalar tak bermassa yang muncul ketika simetri global kontinu terputus secara spontan, dengan satu boson semacam itu untuk setiap generator simetri yang terputus. Dalam teori gauge, mode ini diserap oleh boson gauge.

Apakah pemutusan simetri spontan hanya ada dalam fisika partikel?

Tidak. Ini adalah fenomena umum yang juga menjelaskan feromagnetisme, di mana simetri rotasi terputus oleh arah magnetisasi, dan superkonduktivitas, dari mana aplikasi fisika partikel awalnya dipinjam.