Quebra Espontânea de Simetria na Teoria de Campos

A quebra espontânea de simetria ocorre quando o estado de mais baixa energia de um sistema não respeita uma simetria de suas leis subjacentes, um mecanismo central tanto para a física de partículas quanto para a matéria condensada.

Definition

A quebra espontânea de simetria é a situação em que as equações ou o Lagrangiano de uma teoria possuem uma simetria que o estado fundamental real não compartilha, de modo que a simetria é ocultada pela escolha do vácuo em vez de estar ausente da dinâmica.

Scope

Este tópico aborda o fenômeno geral em que o Lagrangiano de uma teoria de campos é simétrico, mas seu estado fundamental não é, levando a um conjunto degenerado de vácuos. Ele trata do teorema de Goldstone, que prevê bósons escalares sem massa para cada simetria global contínua espontaneamente quebrada, a forma como esses bósons de Goldstone seriam absorvidos quando a simetria é aferida (gauged), e as amplas aplicações desde a supercondutividade até o setor eletrofraco.

Core questions

• Como as leis de uma teoria podem ser simétricas enquanto seu estado fundamental não é?
• Por que a quebra de uma simetria global contínua produz bósons de Goldstone sem massa?
• O que acontece com os bósons de Goldstone quando a simetria quebrada é uma simetria de calibre (gauge symmetry)?
• Como o mesmo mecanismo aparece na supercondutividade e na física de partículas?

Key concepts

• Vácuos degenerados
• Parâmetro de ordem e valor esperado do vácuo
• Bósons de Goldstone
• Quebra de simetria quiral
• Simetria oculta
• Conexão com o mecanismo de Higgs

Key theories

Teorema de Goldstone

Goldstone demonstrou que a quebra espontânea de uma simetria global contínua produz um bóson escalar sem massa para cada gerador quebrado, um resultado que restringe o espectro das teorias de simetria quebrada.

Quebra dinâmica de simetria

Nambu e Jona-Lasinio demonstraram, por analogia com a supercondutividade, que as interações podem gerar dinamicamente massas de férmions e quebrar a simetria quiral espontaneamente, com bósons quase sem massa associados, como o píon.

Mechanisms

Quando um potencial de campo possui um conjunto contínuo de mínimos em vez de um único mínimo simétrico, o sistema deve selecionar um mínimo, e pequenas excitações ao longo das direções planas do potencial não custam energia, aparecendo como bósons de Goldstone sem massa. Se a simetria quebrada for local em vez de global, esses modos sem massa não são físicos, mas se tornam os componentes longitudinais dos bósons de calibre (gauge bosons), que assim adquirem massa através do mecanismo de Higgs.

Clinical relevance

A quebra espontânea de simetria sustenta o mecanismo de Higgs que confere massa aos bósons de calibre eletrofracos, explica a leveza do píon como um bóson de Goldstone aproximado da quebra de simetria quiral, e fornece um conceito unificador que liga a física de partículas à supercondutividade, magnetismo e outras transições de fase.

History

A ideia de que uma teoria simétrica poderia ter um estado fundamental assimétrico foi importada para a física de partículas da teoria da supercondutividade por volta de 1960 por Nambu, que a aplicou à geração dinâmica de massa. O teorema de Goldstone de 1961 estabeleceu o aparecimento de bósons sem massa, e a resolução de como evitá-los em teorias de calibre (gauge theories) levou diretamente ao mecanismo de Higgs e à teoria eletrofraca, com Nambu sendo homenageado com o Prêmio Nobel de 2008.

Key figures

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

Seminal works

• goldstone1961
• nambu1961

Frequently asked questions

O que é um bóson de Goldstone?

Um bóson de Goldstone é uma partícula escalar sem massa que aparece quando uma simetria global contínua é espontaneamente quebrada, com um bóson para cada gerador de simetria quebrado. Em teorias de calibre (gauge theories), esses modos são absorvidos pelos bósons de calibre.

A quebra espontânea de simetria é exclusiva da física de partículas?

Não. É um fenômeno geral que também descreve o ferromagnetismo, onde a simetria rotacional é quebrada por uma direção de magnetização, e a supercondutividade, da qual as aplicações em física de partículas foram originalmente emprestadas.