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¿Qué es lo que realmente refuerza la naturalidad técnica de la masa de los electrones?

Técnica ou La naturalidad de 't Hooft Un parámetro $\theta$ en el Lagrangiano de una teoría de campo se dice que es natural si en el límite de la desaparición $\theta$ La teoría tiene una simetría mejorada. Si esto ocurre, la pequeñez del parámetro $\theta$ se dice que es natural.

Un ejemplo Consideremos la teoría de QED con electrones sin masa. Se puede demostrar que la masa del electrón no recibe correcciones cuánticas y sigue siendo cero. Si repetimos el mismo cálculo con QED masiva, encontramos que la masa del electrón desnudo $m_0$ recibe una corrección que a su vez es proporcional a $m_0$ es decir $$m_0\to m=m_0+\frac{3\alpha}{4\pi}m_0\ln\Big(\frac{\Lambda^2}{m_0^2}\Big)\tag{1}$$ donde $\Lambda$ es el punto de corte. Así, la QED masiva reproduce el resultado de la QED sin masa en el límite $m_0\to 0$ . Esto demuestra claramente que si $m_0$ es cero en la acción clásica para empezar seguirá siendo cero; si $m_0$ es distinto de cero pero pequeño al principio, seguirá siendo pequeño. En este sentido, la pequeñez de la masa del electrón es técnicamente natural.

Pregunta Pero sigo sintiéndome incómodo con el papel de la simetría aquí y no puedo digerir del todo la idea de la naturalidad técnica. Porque, si la simetría es anómala en el límite $m_0\to 0$ ¿Qué es lo que estabiliza la masa del electrón frente a las grandes correcciones cuánticas? Como la simetría es anómala, no podemos asegurar que sea la simetría la que proteja $m_0$ de recibir una gran corrección. ¿Qué es lo que realmente ocurre en el fondo de la cuestión?

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Para prohibir este término de masa, no necesitamos una simetría U(1) quiral completa, sino sólo una $\mathbb{Z}_2$ simetría bajo la cual, por ejemplo, el electrón zurdo capta un signo. Este $\mathbb{Z}_2$ está libre de anomalías y, por tanto, puede prohibir el término de masa también a nivel cuántico.

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kalyanji Puntos 400

En una teoría gauge quiral general en dimensiones D, la anomalía sólo aparece en el diagrama de un lazo con (D-1) bosones gauge externos (arXiv:0802.0634).

La anomalía quiral de la que hablas sólo aparece en el diagrama triangular (en 4 dimensiones), es decir, 3 fotones externos con un bucle de electrones. Adler, Bell y Jackiw lo demostraron perturbativamente, pero un tratamiento más moderno se puede encontrar en arXiv:0802.0634.

Así que las correcciones de bucle a la masa del electrón no rompen la simetría quiral. Sólo lo hace el diagrama triangular.

La no conservación de los fermiones zurdos y diestros sólo ocurre con campos eléctricos/magnéticos distintos de cero, ya que la divergencia de la corriente quiral es proporcional al tensor de fuerza de campo.

Véase el capítulo 19.2 de Peskin & Schroeder, así como el problema 19.1.

También recomendaría seguir el análisis de Fukikawa, donde la anomalía proviene del jacobiano de la medida de campo en la integral de trayectoria. También se hace en P&S.


EDIT: En esta respuesta he dejado de lado los efectos no pertubadores (lo cual está bien para el fotón, ya que los grupos gauge abelianos no tienen configuraciones topológicas). Véase la sección de comentarios.

Si quieres aprender más sobre el cálculo de estos efectos (expansión del punto de silla de montar/método semiclásico) te recomiendo https://iopscience.iop.org/article/10.1070/PU1982v025n04ABEH004533/meta

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mike stone Puntos 184

No es sólo la anomalía quiral la que puede confundir el argumento de que la simetría quiral protege la ausencia de masa. Si empezamos con quarks sin masa, las interacciones fuertes seguirían provocando la ruptura de la simetría quiral y darían a los quarks una masa "constitutiva". De hecho, en el mundo real las masas "actuales" de los $u$ y $d$ los quarks son bastante pequeños y la mayor parte de las masas de los hadrones que los contienen provienen de la ruptura de la simetría quiral, por lo que son proporcionales a $\Lambda_{\rm QCD}$ en lugar de $m_u$ ou $m_d$ .

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