Phá vỡ đối xứng tự phát trong lý thuyết trường

Phá vỡ đối xứng tự phát xảy ra khi trạng thái năng lượng thấp nhất của một hệ thống không tuân thủ tính đối xứng của các định luật cơ bản của nó, một cơ chế trung tâm trong vật lý hạt cũng như vật lý vật chất ngưng tụ.

Definition

Phá vỡ đối xứng tự phát là tình huống trong đó các phương trình hoặc Lagrangian của một lý thuyết sở hữu một đối xứng mà trạng thái cơ bản thực tế không chia sẻ, do đó đối xứng bị che giấu bởi sự lựa chọn chân không chứ không phải không có trong động lực học.

Scope

Chủ đề này bao gồm hiện tượng chung trong đó Lagrangian của một lý thuyết trường có tính đối xứng nhưng trạng thái cơ bản của nó thì không, dẫn đến một tập hợp các trạng thái chân không suy biến. Nó đề cập đến định lý Goldstone, dự đoán các boson vô khối lượng cho mỗi đối xứng toàn cục liên tục bị phá vỡ tự phát, cách các boson Goldstone tiềm năng này được hấp thụ khi đối xứng được chuẩn hóa, và các ứng dụng rộng rãi từ siêu dẫn đến lĩnh vực điện yếu.

Core questions

• Làm thế nào các định luật của một lý thuyết có thể đối xứng trong khi trạng thái cơ bản của nó thì không?
• Tại sao việc phá vỡ một đối xứng toàn cục liên tục lại tạo ra các boson Goldstone không khối lượng?
• Điều gì xảy ra với các boson Goldstone khi đối xứng bị phá vỡ là một đối xứng chuẩn?
• Cơ chế tương tự này xuất hiện như thế nào trong siêu dẫn và trong vật lý hạt?

Key concepts

• Chân không suy biến
• Tham số trật tự và giá trị kỳ vọng chân không
• Boson Goldstone
• Phá vỡ đối xứng chiral
• Đối xứng ẩn
• Mối liên hệ với cơ chế Higgs

Key theories

Định lý Goldstone

Goldstone đã chỉ ra rằng sự phá vỡ tự phát của một đối xứng toàn cục liên tục tạo ra một boson vô hướng không khối lượng cho mỗi bộ tạo bị phá vỡ, một kết quả hạn chế phổ của các lý thuyết đối xứng bị phá vỡ.

Phá vỡ đối xứng động lực học

Nambu và Jona-Lasinio đã chứng minh, bằng cách tương tự với siêu dẫn, rằng các tương tác có thể tạo ra khối lượng fermion một cách động lực học và phá vỡ đối xứng chiral một cách tự phát, với các boson gần như không khối lượng liên quan như pion.

Mechanisms

Khi một thế năng trường có một tập hợp liên tục các cực tiểu thay vì một cực tiểu đối xứng duy nhất, hệ thống phải chọn một cực tiểu, và các kích thích nhỏ dọc theo các hướng phẳng của thế năng không tốn năng lượng, xuất hiện dưới dạng các boson Goldstone không khối lượng. Nếu đối xứng bị phá vỡ là cục bộ chứ không phải toàn cục, các mode không khối lượng này không phải là vật lý mà thay vào đó trở thành các thành phần dọc của các boson chuẩn, do đó chúng có khối lượng thông qua cơ chế Higgs.

Clinical relevance

Phá vỡ đối xứng tự phát là nền tảng của cơ chế Higgs, cơ chế tạo khối lượng cho các boson chuẩn điện yếu, giải thích sự nhẹ của pion như một boson Goldstone gần đúng của sự phá vỡ đối xứng chiral, và cung cấp một khái niệm thống nhất liên kết vật lý hạt với siêu dẫn, từ tính và các chuyển pha khác.

History

Ý tưởng rằng một lý thuyết đối xứng có thể có một trạng thái cơ bản bất đối xứng đã được đưa vào vật lý hạt từ lý thuyết siêu dẫn vào khoảng năm 1960 bởi Nambu, người đã áp dụng nó vào việc tạo khối lượng động lực học. Định lý Goldstone năm 1961 đã thiết lập sự xuất hiện của các boson không khối lượng, và giải pháp về cách tránh chúng trong các lý thuyết chuẩn đã dẫn trực tiếp đến cơ chế Higgs và lý thuyết điện yếu, với Nambu được vinh danh bằng giải Nobel năm 2008.

Key figures

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

Seminal works

• goldstone1961
• nambu1961

Frequently asked questions

Boson Goldstone là gì?

Boson Goldstone là một hạt vô hướng không khối lượng xuất hiện khi một đối xứng toàn cục liên tục bị phá vỡ tự phát, với một boson như vậy cho mỗi bộ tạo đối xứng bị phá vỡ. Trong các lý thuyết chuẩn, các mode này được hấp thụ bởi các boson chuẩn.

Phá vỡ đối xứng tự phát có phải là duy nhất trong vật lý hạt không?

Không. Đó là một hiện tượng chung cũng mô tả hiện tượng sắt từ, nơi đối xứng quay bị phá vỡ bởi hướng từ hóa, và siêu dẫn, từ đó các ứng dụng vật lý hạt ban đầu được mượn.