Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике элементарных частиц , асимптотическая свобода является свойством некоторых калибровочных теорий , который вызывает взаимодействие между частицами , чтобы стать асимптотический слабее , так как масштаб энергия увеличивается и соответствующая длиной шкала уменьшается.

Асимптотическая свобода - это особенность квантовой хромодинамики (КХД), квантовой теории поля сильного взаимодействия между кварками и глюонами , фундаментальными составляющими ядерной материи. Кварки слабо взаимодействуют при высоких энергиях, что позволяет проводить пертурбативные вычисления . При низких энергиях взаимодействие становится сильным, что приводит к удержанию кварков и глюонов внутри составных адронов .

Асимптотическая свобода КХД была открыта в 1973 году Дэвид Гросс и Вильчек , [1] и независимо друг от друга Дэвида литцера в том же году. [2] За эту работу все трое разделили Нобелевскую премию по физике 2004 года . [3]

Открытие [ править ]

Асимптотическая свобода в КХД была открыта в 1973 году Дэвидом Гроссом и Фрэнком Вильчеком [1] и независимо Дэвидом Политцером в том же году. [2] ранее наблюдали же явление (в квантовой электродинамики с заряженным векторным полем, В. С. Ваняшин и М.В.Терентьеву в 1965; [4] и теории Янга-Миллса с Хриплович в 1969 году [5] и Gerard ' t Hooft в 1972 году [6] [7] ), но его физическое значение не было осознано до работы Гросса, Вильчека и Политцера, которая была отмечена Нобелевской премией по физике 2004 года. [3]

Открытие способствовало «реабилитации» квантовой теории поля. [7] До 1973 года многие теоретики подозревали, что теория поля в корне противоречива, потому что взаимодействия становятся бесконечно сильными на малых расстояниях. Это явление обычно называют полюсом Ландау , и оно определяет наименьший масштаб длины, который может описать теория. Эта проблема была обнаружена в полевых теориях взаимодействующих скаляров и спиноров , включая квантовую электродинамику (КЭД), и положительность Лемана заставила многих подозревать, что это неизбежно. [8] Асимптотически свободные теории становятся слабыми на малых расстояниях, полюса Ландау нет, и эти квантовые теории поля считаются полностью совместимыми до любого масштаба длины.

Стандартная модель не является асимптотический свободной, с Ландау полюсом проблемы при рассмотрении бозона Хиггса . Квантовая тривиальность может использоваться для оценки или предсказания таких параметров, как масса бозона Хиггса. Это приводит к предсказуемой массе Хиггса в асимптотических сценариях безопасности . В других сценариях взаимодействия слабые, так что любое несоответствие возникает на расстояниях короче планковской длины . [9]

Скрининг и антискрининг [ править ]

Проверка заряда в QED

Изменение физической константы связи при изменении масштаба можно качественно понять как результат воздействия поля на виртуальные частицы, несущие соответствующий заряд. Поведение Ландау полюс КЭД (связан с квантовой тривиальностью ) является следствием скрининга с помощью виртуальных заряженных частицеподобных античастиц пар, таких как электрон - позитронных пар, в вакууме. Вблизи заряда вакуум становится поляризованным.: виртуальные частицы с противоположным зарядом притягиваются к заряду, а виртуальные частицы с одинаковым зарядом отталкиваются. Итоговый эффект заключается в частичном гашении поля на любом конечном расстоянии. Приближаясь к центральному заряду, вы все меньше и меньше видите влияние вакуума, и эффективный заряд увеличивается.

В КХД то же самое происходит с виртуальными парами кварк-антикварк; они стремятся экранировать цветной заряд . Однако у КХД есть дополнительная загвоздка: ее несущие силу частицы, глюоны, сами несут цветной заряд, и по-другому. Каждый глюон несет как цветной заряд, так и антицветный магнитный момент. Чистый эффект поляризации виртуальных глюонов в вакууме заключается не в экранировании поля, а в его увеличении и изменении его цвета. Иногда это называют защитой от скрининга . Приближение к кварку уменьшает эффект антиэкранирования окружающих виртуальных глюонов, поэтому вклад этого эффекта будет заключаться в ослаблении эффективного заряда с уменьшением расстояния.

Поскольку виртуальные кварки и виртуальные глюоны вносят противоположные эффекты, то какой эффект выигрывает, зависит от количества различных видов или ароматов кварков. Для стандартной КХД с тремя цветами, пока существует не более 16 ароматов кварков (не считая антикварков по отдельности), антиэкранирование преобладает, и теория асимптотически свободна. На самом деле известно всего 6 вкусов творога.

Вычисление асимптотической свободы [ править ]

Асимптотическая свобода может быть получена путем вычисления бета-функции, описывающей изменение константы связи теории под действием ренормализационной группы . Для достаточно коротких расстояний или больших обменов импульсом (которые исследуют поведение на коротких расстояниях, примерно из-за обратной связи между импульсом кванта и длиной волны Де Бройля ) асимптотически свободная теория поддается расчетам теории возмущений с использованием диаграмм Фейнмана . Таким образом, такие ситуации более поддаются теоретическому рассмотрению, чем поведение сильной связи на больших расстояниях, которое также часто присутствует в таких теориях, которое, как считается, приводит к ограничению свободы..

Вычисление бета-функции - это вопрос оценки диаграмм Фейнмана, участвующих во взаимодействии кварка, излучающего или поглощающего глюон. По сути, бета-функция описывает, как изменяются константы связи при масштабировании системы . Расчет может быть выполнен с использованием изменения масштаба в пространстве позиций или пространстве импульсов (интегрирование импульсной оболочки). В неабелевых калибровочных теориях, таких как КХД, существование асимптотической свободы зависит от калибровочной группы и количества разновидностей взаимодействующих частиц. В самом низком нетривиальном порядке бета-функция в калибровочной теории SU (N) с разновидностями кваркоподобных частиц имеет вид

где эквивалентна теории о с постоянной тонкой структуры , в единицах благоприятствования физики частиц. Если эта функция отрицательна, теория асимптотически свободна. Для SU (3) выполняется и требование, дающее

Таким образом, для SU (3), калибровочной группы цветного заряда КХД, теория асимптотически свободна, если существует 16 или меньше разновидностей кварков.

Помимо КХД, асимптотическая свобода также может быть замечена в других системах, таких как нелинейная -модель в 2-х измерениях, которая имеет структуру, аналогичную SU (N) -инвариантной теории Янга – Миллса в 4-х измерениях.

Наконец, можно найти теории, которые асимптотически свободны и сводятся к полной Стандартной модели электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий при достаточно низких энергиях. [10]

См. Также [ править ]

  • Асимптотическая безопасность
  • Тензор напряженности глюонного поля
  • Квантовая тривиальность
  • Химическая связь

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Д.Дж. Валовой; Ф. Вильчек (1973). «Ультрафиолетовое поведение неабелевых калибровочных теорий» . Письма с физическим обзором . 30 (26): 1343–1346. Bibcode : 1973PhRvL..30.1343G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.30.1343 .
  2. ^ a b H.D. Политцера (1973). «Надежные пертурбативные результаты для сильных взаимодействий» . Письма с физическим обзором . 30 (26): 1346–1349. Bibcode : 1973PhRvL..30.1346P . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.30.1346 .
  3. ^ a b «Нобелевская премия по физике 2004 г.» . Нобелевский веб-сайт. 2004 . Проверено 24 октября 2010 .
  4. ^ VS Ваняшин; М. В. Терентьев (1965). «Вакуумная поляризация заряженного векторного поля» (PDF) . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 21 (2): 375–380. Bibcode : 1965JETP ... 21..375V .
  5. ^ IB Хриплович (1970). «Функции Грина в теориях с неабелевой калибровочной группой» . Советский журнал ядерной физики . 10 : 235–242.
  6. ↑ G. 't Hooft (июнь 1972 г.). «Неопубликованный доклад на конференции в Марселе о перенормировке полей Янга – Миллса и приложениях к физике элементарных частиц». Cite journal requires |journal= (help)
  7. ^ a b Джерард 'т Хоофт, «Когда была открыта асимптотическая свобода? или Реабилитация квантовой теории поля», Nucl. Phys. Proc. Дополнение 74 : 413–425 , 1999, arXiv: hep-th / 9808154
  8. ↑ DJ Gross (1999). «Двадцать пять лет асимптотической свободы». Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 74 (1–3): 426–446. arXiv : hep-th / 9809060 . Bibcode : 1999NuPhS..74..426G . DOI : 10.1016 / S0920-5632 (99) 00208-X .
  9. ^ Callaway, DJE (1988). «Погоня за мелочами: могут ли существовать элементарные скалярные частицы?». Отчеты по физике . 167 (5): 241–320. Bibcode : 1988PhR ... 167..241C . DOI : 10.1016 / 0370-1573 (88) 90008-7 .
  10. ^ GF Giudice; Г. Исидори; А. Сальвио; А. Струмиа (2015). «Смягченная гравитация и расширение стандартной модели до бесконечной энергии». Журнал физики высоких энергий . 2015 (2): 137. arXiv : 1412.2769 . Bibcode : 2015JHEP ... 02..137G . DOI : 10.1007 / JHEP02 (2015) 137 .
  • С. Покорский (1987). Теории калибровочного поля . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-36846-4.