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¿Cómo podemos tener un condensado de quarks sin un potencial de quarks?

El quark QCD Lagrangiano en el límite quiral es

$$ L_q = i \bar {q}{ \not D} q $$

que posee un sistema global de $SU(3)_L \times SU(3)_R$ simetría. He leído en muchos sitios que esta simetría es espontáneamente roto a $SU(3)_V$ por $ \langle \bar {q} q \rangle \neq 0$ .


Pregunta : ¿Cómo se califica esto como espontánea ¿Romper la simetría?

Mi entendimiento es que SSB sería de la forma

$$ L = i \bar {q}{ \not D} q \ - \ V( \overline {q}\ \Gamma\ q) $$

donde $V$ es necesariamente un $SU(3)_L \times SU(3)_R$ camiseta. Podría entonces ver cómo $ \langle \bar {q}q \rangle \neq 0$ induciría un término de masa al lagrangiano.

Sin embargo Sólo he visto la declaración de que el "estado de tierra del QCD" sólo respeta $SU(3)_V$ por lo que tenemos 8 bosones de piedra de oro, etc.

Pregunta 2. : Estado del suelo de lo que ? No hay potencial. ¿Qué potencial estamos minimizando y sobre qué VEV nos estamos expandiendo?


Conclusión : Para mí todo este proceso me parece idéntico a explícita pero lo llamamos espontáneo para poder usar el teorema de Goldstone. Así que debo estar olvidando algo.

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thierryb Puntos 1269

Sí, lo estás. El teorema de Goldstone es el 95% de SSB. SSB es un enunciado de la realización de una simetría; las corrientes relevantes siguen conservándose, pero el vacío, el estado básico (el/los estado/s de menor energía de la teoría) no es invariante bajo las simetrías en cuestión. Tales simetrías lo desplazan de un estado básico a otro. La simetría se realiza de forma no lineal (en el modo Nambu-Goldstone), y es difícil verla directamente, pero la acción relevante sigue siendo invariante bajo tales transformaciones.

La ruptura explícita significa que no hay corrientes conservadas, ni acción invariante, ni estados bajos degenerados.

(En realidad, en los sistemas SSB quirales, también puede tener una pequeña ruptura explícita en la parte superior, por lo que sus corrientes no se conservan totalmente - son "parcialmente conservadas": PCAC).

Si se desea modelar el SSB con un potencial en una teoría efectiva, entonces el SSB es más tratable, y Landau-Ginsburg lo utilizó en la superconductividad, con una intrincada estructura colectiva de pares de Cooper para el estado básico; además, Gell-Mann y Levy en el modelo, que captura las características más destacadas de QCD SSB, en lugar del mecanismo de condensación dinámica que parece rallarte, etc. (Su grupo de sabor es el de sólo los dos nucleones/quarks más ligeros, $SU(2)\times SU(2)$ pero conceptualmente igual que aquí).

En las interacciones débiles, el jurado aún no se ha pronunciado, por falta de información, pero los tecnicoloristas podrían discutir contigo interminablemente al respecto... Piensan en el modelo de Weinberg como el análogo del -modelo para las interacciones EW.

Antes de que se descubriera la QCD, en 1960, la -modelo previsto, proféticamente, correctamente (!), todas las propiedades que pides, y es el pilar de cualquier buen curso de QFT. Itzykson & Zuber, Cheng & Li, T D Lee, M Schwartz, o P&S la cubren ampliamente. El pilar es no una exageración. De verdad.

Tiene un potencial cuártico en el que intervienen el y tres s (se puede extender trivialmente a 8 pseudoescalares, como, por supuesto, se ha hecho), el recoge el vev. en la parte inferior del potencial, (el prototipo para el Higgs), y, por supuesto, este vev genera masas de nucleones a través de los acoplamientos de Yukawa. Y lo que es más importante, el álgebra actual funciona a las mil maravillas, incluida la superposición de ruptura explícita sobre el SSB.

Con el advenimiento de la QCD y las simulaciones en celosía de su dinámica no perturbativa de acoplamiento fuerte, se pudieron confirmar todas y cada una de las predicciones del -modelo, utilizando herramientas más sutiles, y confirmaron los v.e.v. s no triviales de los operadores escalares, bilineales de campo de quarks ahora, con los números cuánticos del , como el que escribes, etc.... Además, confirmaron las fórmulas de Dashen para las masas de los pseudogoldstones pseudoescalares.

Los Sección WP explica lo básico sí, la construcción Goldstone es SSB, de acuerdo.


Editar en respuesta a la pregunta del comentario : Sí, pero.

El -modelo, por supuesto, resume el comportamiento del multiplete de grupo de los campos interpolantes bilineales de los quarks, $$ \vec{\pi} \leftrightarrow \bar{q}\gamma_5\vec{\tau} q, \qquad \sigma \leftrightarrow \bar{q} q, $$ para que las tres transformaciones axiales SSB las giren igual, $$ \delta \vec{\pi}= \vec{\theta} \sigma, \qquad \delta \sigma = \vec{\theta} \times \vec{\pi} ,\\ \delta (\bar{q}\gamma_5\vec{\tau} q)= \vec{\theta} \bar{q} q, \qquad \delta (\bar{q} q) = \vec{\theta} \times \bar{q}\gamma_5\vec{\tau} q . $$

Ahora bien, mientras que el potencial de trucos fiat del -modelo $\lambda (\sigma^2+\vec{\pi}^2 -f_\pi^2)^2$ limita el vev a $\langle \sigma\rangle=f_\pi$ y $\langle \vec{\pi}\rangle=0$ Así que $ \langle\delta \vec{\pi}\rangle= \vec{\theta} f_\pi, \quad \langle\delta \sigma\rangle = 0$ por lo que los piones son piedras de oro y el sigma es masivo, simplemente no hay tal cosa como un "potencial" significativo para los campos interpolantes compuestos.

El vev se aplica mediante el agresivamente no perturbativo roiling glue QCD vacuum (Thacker ha hecho impresionante trabajo sondeándola), de modo que $\langle \bar{q} q\rangle=-(250MeV)^3$ y $\langle \bar{q}\gamma_5 \vec{\tau} q\rangle=0$ de modo que $$ \langle \delta (\bar{q}\gamma_5\vec{\tau} q)\rangle= -\vec{\theta} (250MeV)^3 , \quad \delta (\bar{q} q) = 0 . $$

La teoría de grupos es la misma, que es de lo que trata SSB, pero no hay "potencial" utilizable para hacer cumplir los vevs. Esta es la razón por la que los modelos lagrangianos efectivos siguen existiendo: para humanizar la teoría de grupos.

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Entiendo la $\sigma$ modelo, pero supongo que no estoy exactamente seguro de cómo ampliar sobre un vev que de un bilineal. De ahí que no vea exactamente cómo expandir los campos de los quarks en sus modos nambu goldstone. No estoy del todo seguro de cómo sería.

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¿Te refieres a algo como la ecuación (14) de este enlace? scholarpedia.org/article/Modelo_Sigma_no_lineal

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No, la ecuación (14) es un término de masa pseudogoldston debido a masas de quark no evanescentes. El libro de Georgi es un clásico. (Cuantifica cómo la ruptura explícita modifica las consecuencias del teorema de Goldstone. La generación de masa que menciono se ilustra en mi pregunta enlazada, a saber, el SSB vev genera enorme masas para los nucleones, partiendo de 0. En el modelo de los quarks, genera las masas de los quarks constituyentes de 300MeV a partir de masas actuales de 5-10MeV... ¡sería aproximadamente lo mismo para masas actuales de 0!

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Santosh Bachkar Puntos 26

Abordaré primero parte de la segunda pregunta.

Pregunta 2: ¿En qué estado? No hay potencial. ¿Qué potencial estamos minimizando...?

Por "estado básico" (también conocido como estado de vacío en QFT relativista) se entiende simplemente el estado que minimiza el valor de expectativa del Hamiltoniano. Para ello, no es necesaria la separación entre términos "cinéticos" y "potenciales", e incluso cuando dicha separación tiene sentido, el estado terreno/de vacío sigue siendo el que minimiza el valor de expectativa de todo el Hamiltoniano, incluidos los términos cinéticos.

Pregunta: ¿Cómo puede calificarse esto de espontáneo ¿Ruptura de simetría?

La simetría quiral se rompe explícitamente por los términos de masa de los quarks en la QCD, pero la simetría no se restaura cuando se omiten los términos de masa, por lo que la simetría también se rompe espontáneamente.

Para ilustrar la ruptura explícita y espontánea con un campo escalar, veamos $\phi$ es un campo escalar complejo con parte real $\phi_r$ y considerar un potencial de la forma $$ V(\phi)= \beta\phi_r + \mu|\phi|^2+\lambda|\phi|^4 \tag{1} $$ donde el parámetro $\beta$ es muy próximo a cero, y $\mu<0$ y $\lambda>0$ . Si $\beta$ fueran exactamente cero, tendríamos SSB (si $\mu$ es suficientemente negativo) ${}^{[1]}$ porque el coste energético de las oscilaciones en la fase de $\phi$ llega a cero en el límite de longitud de onda larga (bajo-momento); el Hamiltoniano es independiente de la fase cuando $\beta=0$ . Si $\beta$ es distinto de cero pero cercano a cero, entonces la simetría se rompe explícitamente. Heurísticamente, en lugar de un valle circular (parametrizado por la fase de $\phi$ ) con la misma profundidad en todo el círculo, ahora tenemos un valle circular que está inclinado, de modo que un punto del valle está más bajo que todos los demás. Pero seguimos teniendo un valle circular, y el coste energético de las oscilaciones a lo largo del valle sigue siendo relativamente pequeño en el límite de longitud de onda larga, por lo que seguimos obteniendo bosones casi-Goldstone casi sin masa. En este sentido, la simetría es tanto explícitamente y roto espontáneamente.

En la QCD, sin términos de masa de quarks, los bariones seguirían siendo masivos, pero los piones carecerían de masa: serían exactamente bosones de Goldstone. Heurísticamente, corresponden a oscilaciones de la fase $\theta$ en $\exp(\theta\gamma^5)\psi$ y no tienen masa porque el coste energético de esas oscilaciones es cero en el límite de longitud de onda larga (bajo momento), ya que el Hamiltoniano es independiente de $\theta$ si $\theta$ es espacialmente uniforme. Los términos de masa de los quarks rompen la simetría explícitamente, de modo que el Hamiltoniano depende de $\theta$ incluso cuando $\theta$ es espacialmente uniforme, pero mientras la masa del quark $m$ es pequeña, la imagen original del bosón de Goldstone sigue siendo aproximadamente válido. Los piones ya no carecen exactamente de masa, pero sus masas siguen siendo mucho menores que las de los bariones, mucho más de lo que sugeriría la imagen clásica de los quarks de valencia.

... ¿sobre qué VEV nos estamos expandiendo?

No estoy seguro de entender esta parte de la pregunta, pero lo intentaré: En el contexto de la ruptura de la simetría quiral, la cantidad $\langle 0|\bar \psi \psi|0\rangle$ (el "condensado") desempeña el papel que $\langle 0|\phi|0\rangle$ jugaría en el caso más familiar de campo escalar complejo. El condensado no es invariante bajo $$ \psi\to \exp(\theta\gamma^5)\psi \tag{2} $$ a menos que sea cero, por lo que un condensado distinto de cero es señal de que la simetría se ha roto (explícita o espontáneamente); es una parámetro de pedido . La aplicación de la transformación (2) al condensado sólo cambia la fase relativa del $LR$ y $RL$ condiciones. En el caso de espontáneo ruptura de simetría, esto corresponde a una elección diferente del estado de vacío del "valle" de estados de vacío igualmente buenos, todos con la misma energía mínima. Todo esto es análogo al caso de un campo escalar complejo con parámetro de orden $\langle 0|\phi|0\rangle$ donde la transformación $\phi\to\exp(i\theta)\phi$ cambia la fase relativa de $\langle 0|\phi_r|0\rangle$ y $\langle 0|\phi_i|0\rangle$ .


Algunas referencias:

Hay todo un libro sobre la "ruptura espontánea de simetría sin potencial", también llamado ruptura de la simetría dinámica :

Ese libro intenta dar una idea de por qué la simetría quiral se rompe espontáneamente en la QCD, cosa que mi respuesta no hace. Esa es una cuestión no-perturbativa relativamente difícil que, por lo que sé, aún no se comprende del todo. El artículo

muestra que si QCD es confinante, entonces la simetría quiral se rompe espontáneamente, al menos en el límite del gran número de colores. Sin embargo, el confinamiento no es una condición necesaria para la SSB quiral. El libro

dice esto en la página 77:

La ruptura de la simetría quiral ni siquiera requiere campos gauge. La ruptura puede ocurrir en teorías con otros tipos de fuerzas entre fermiones, como en el modelo Nambu Jona-Lasinio [ref], donde el efecto se debe a interacciones de cuatro fermiones.

La página 79 del mismo libro dice

La evidencia [a partir de simulaciones reticulares] es que los vórtices centrales no sólo son responsables de la fuerza de confinamiento, sino que también, por sí mismos, pueden ser responsables de la ruptura espontánea de la simetría quiral.

La cuestión es que el SSB quiral es una cuestión no-perturbativa relativamente difícil, que (todavía) no tiene una imagen heurística tan clara como la versión familiar de campo escalar del SSB. Sin embargo, según el artículo de revisión

el problema es más manejable en QCD a alta densidad (todavía a baja temperatura). Aún no lo he estudiado lo suficiente como para entenderlo, pero aquí tienes un extracto de la introducción:

Las predicciones resultantes sobre el espectro de baja energía y la dinámica son sorprendentes. Simetría de color y la simetría quiral se rompen espontáneamente . ... En conjunto, se encuentra un asombroso parecido entre las propiedades que se calculan a densidades asintóticas, directamente a partir del Lagrangiano microscópico, y las propiedades que se espera que se mantengan a baja densidad, basándose en la fenomenología conocida de los hadrones. En particular, los "misterios" tradicionales del confinamiento y la ruptura de la simetría quiral se plasman plenamente en un cálculo controlado, totalmente microscópico y de acoplamiento débil (¡pero no perturbativo!) que describe con precisión un régimen directamente físico e intrínsecamente interesante.


Nota a pie de página:

${}^{[1]}$ En los modelos con un campo escalar en los que el hamiltoniano tiene la forma cinética + potencial, a menudo se utiliza una imagen clásica heurística para introducir la idea de la ruptura espontánea de la simetría, como si el campo escalar fuera una variable real ordinaria. Esa imagen heurística tiene mérito como punto de partida para la teoría de perturbaciones (que es $\sim$ 99% del contenido de la mayoría de los libros de texto de QFT), pero una perspectiva no-perturbativa revela limitaciones de la imagen heurística. Por ejemplo, en un modelo de campo escalar real con potencial $V(\phi)=\mu\phi^2+\lambda\phi^4$ donde $\mu$ y $\lambda$ son los coeficientes "desnudos" en la escala de corte, sólo haciendo $\mu$ negativo es no suficiente para romper espontáneamente el $\phi\to-\phi$ simetría. La transición entre las fases SSB y no SSB se produce a un valor negativo finito de $\mu$ (depende tanto de $\lambda$ y en el corte), no en cero. Esto se puede deducir intuitivamente como se explica aquí: https://physics.stackexchange.com/a/435461 y se confirma en estudios numéricos. Ambas aproximaciones (intuitiva y numérica) son no-perturbativas.

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Esta respuesta es muy buena. Para ampliar sobre el vev en $\chi$ SSB ¿es necesario utilizar el modelo sigma no lineal?

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@InertialObserver Si no recuerdo mal (y eso es un gran si ), el modelo sigma no lineal asume que la simetría quiral se rompe espontáneamente, por lo que más o menos es una expansión alrededor del (supuesto) vev. Pero puede que me equivoque. Cuando pueda, lo comprobaré y publicaré un comentario-corrección si me equivoco (si no se me adelanta alguien). Mientras tanto, he editado la respuesta para añadir más referencias que ofrecen diversas perspectivas sobre por qué SSB quiral ocurre en QCD.

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@InertialObserver Weinberg (1996), La teoría cuántica de campos, volumen II en la sección 19.5 ("Teorías de campo efectivo: piones y nucleones") se revisa cómo "calcular las amplitudes de los bosones de Goldstone mediante los métodos de la teoría de perturbaciones, utilizando algún Lagrangiano [modelo sigma] para los bosones de Goldstone y las demás partículas... que obedezca a la supuesta simetría rota ." Así que podemos utilizar el modelo sigma para expandir sobre el vev, pero no sé si es el seulement enfoque perturbativo, y no explica por qué se produce el SSB en primer lugar.

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