В квантовой теории поля петли Вильсона являются калибровочно-инвариантными операторами, возникающими из параллельного переноса калибровочных переменных вокруг замкнутых петель . Они кодируют всю калибровочную информацию теории, позволяя строить представления петель , которые полностью описывают калибровочные теории в терминах этих петель. В чистой калибровочной теории они играют роль операторов порядка для ограничения , где они удовлетворяют тому, что известно как закон площади. Первоначально сформулированные Кеннетом Г. Вильсоном в 1974 году, они использовались для построения связей и плакеток, которые являются фундаментальными параметрами в решеточной калибровочной теории . [1] Петли Вильсона попадают в более широкий класс петлевых операторов , некоторыми другими примечательными примерами являются петли 'т Хоофта , которые являются магнитными дуалами петель Вильсона, и петли Полякова , которые являются тепловой версией петель Вильсона.
Чтобы правильно определить петли Вильсона в калибровочной теории, необходимо рассмотреть формулировку расслоения волокон калибровочных теорий. [2] Здесь для каждой точки в -мерном пространстве-времени есть копия калибровочной группы, образующая то, что известно как волокно расслоения волокон . Эти расслоения волокон называются главными расслоениями . Локально результирующее пространство выглядит как , хотя глобально оно может иметь некоторую скрученную структуру в зависимости от того, как склеены различные волокна.
Проблема, которую решают линии Уилсона, заключается в том, как сравнивать точки на волокнах в двух различных точках пространства-времени. Это аналогично параллельному переносу в общей теории относительности , который сравнивает касательные векторы , которые живут в касательных пространствах в разных точках. Для главных расслоений существует естественный способ сравнения различных точек волокон посредством введения связи , что эквивалентно введению калибровочного поля. Это связано с тем, что связь — это способ разделить касательное пространство главного расслоения на два подпространства, известные как вертикальное и горизонтальное подпространства. [3] Первое состоит из всех векторов, указывающих вдоль волокна , в то время как последнее состоит из векторов, которые перпендикулярны волокну. Это позволяет сравнивать значения волокон в различных точках пространства-времени, соединяя их с кривыми в главном расслоении, касательные векторы которых всегда живут в горизонтальном подпространстве, поэтому кривая всегда перпендикулярна любому данному волокну.
Если начальное волокно находится в координате с начальной точкой тождества , то для того, чтобы увидеть, как это изменится при переходе к другой пространственно-временной координате , нужно рассмотреть некоторую пространственно-временную кривую между и . Соответствующая кривая в главном расслоении, известная как горизонтальный подъем , является кривой такой, что и что ее касательные векторы всегда лежат в горизонтальном подпространстве. Формулировка калибровочной теории в расслоении волокон показывает, что калибровочное поле со значениями алгебры Ли эквивалентно связи, которая определяет горизонтальное подпространство, поэтому это приводит к дифференциальному уравнению для горизонтального подъема
Это имеет единственное формальное решение, называемое линией Вильсона между двумя точками.
где — оператор упорядочения путей , который не нужен для абелевых теорий. Горизонтальный подъем, начинающийся в некоторой начальной точке волокна, отличной от тождества, требует просто умножения на начальный элемент исходного горизонтального подъема. В более общем смысле, он имеет место, если , то для всех .
При локальном калибровочном преобразовании линия Вильсона преобразуется как
Это свойство калибровочного преобразования часто используется для непосредственного введения линии Вильсона в присутствии полей материи, преобразующихся в фундаментальном представлении калибровочной группы, где линия Вильсона является оператором, который делает комбинацию калибровочной инвариантности. [4] Это позволяет сравнивать поле материи в разных точках калибровочно-инвариантным способом. В качестве альтернативы линии Вильсона также могут быть введены путем добавления бесконечно тяжелой пробной частицы, заряженной в соответствии с калибровочной группой. Ее заряд образует квантованное внутреннее гильбертово пространство , которое можно интегрировать, получая линию Вильсона как мировую линию пробной частицы. [5] Это работает в квантовой теории поля независимо от того, есть ли на самом деле какое-либо содержание материи в теории. Однако гипотеза болота, известная как гипотеза полноты, утверждает, что в последовательной теории квантовой гравитации каждая линия Вильсона и линия 'т Хоофта определенного заряда, согласующаяся с условием квантования Дирака, должна иметь соответствующую частицу этого заряда, присутствующую в теории. [6] Разделение этих частиц путем принятия предела бесконечной массы больше не работает, поскольку это привело бы к образованию черных дыр .
След замкнутых линий Вильсона — это калибровочно-инвариантная величина, известная как петля Вильсона.
Математически термин внутри следа известен как голономия , которая описывает отображение волокна в себя при горизонтальном подъеме вдоль замкнутой петли. Множество всех голономий само по себе образует группу , которая для главных расслоений должна быть подгруппой калибровочной группы. Петли Вильсона удовлетворяют свойству реконструкции, при котором знание набора петель Вильсона для всех возможных петель позволяет реконструировать всю калибровочно-инвариантную информацию о калибровочной связи. [7] Формально множество всех петель Вильсона образует сверхполный базис решений ограничения закона Гаусса.
Набор всех линий Вильсона находится во взаимно-однозначном соответствии с представлениями калибровочной группы. Это можно переформулировать в терминах языка алгебры Ли, используя весовую решетку калибровочной группы . В этом случае типы петель Вильсона находятся во взаимно-однозначном соответствии с , где — группа Вейля . [8]
Альтернативный взгляд на петли Вильсона заключается в том, чтобы рассматривать их как операторы, действующие в гильбертовом пространстве состояний в сигнатуре Минковского . [5] Поскольку гильбертово пространство живет на одном временном срезе, единственные петли Вильсона, которые могут действовать как операторы в этом пространстве, — это петли, образованные с использованием пространственноподобных петель. Такие операторы создают замкнутую петлю электрического потока , что можно увидеть, заметив, что оператор электрического поля отличен от нуля в петле, но он исчезает во всех остальных местах. Используя теорему Стокса , следует, что пространственная петля измеряет магнитный поток через петлю. [9]
Поскольку временные линии Вильсона соответствуют конфигурации, созданной бесконечно тяжелыми неподвижными кварками, петля Вильсона, связанная с прямоугольной петлей с двумя временными компонентами длины и двумя пространственными компонентами длины , может быть интерпретирована как пара кварк -антикварк на фиксированном расстоянии. На больших временах вакуумное ожидание петли Вильсона проецирует состояние с минимальной энергией , которая является потенциалом между кварками. [10] Возбужденные состояния с энергией экспоненциально подавляются со временем, и поэтому ожидание идет как
делая петлю Вильсона полезной для вычисления потенциала между парами кварков. Этот потенциал обязательно должен быть монотонно возрастающей и вогнутой функцией разделения кварков. [11] [12] Поскольку пространственноподобные петли Вильсона принципиально не отличаются от временных, кварковый потенциал действительно напрямую связан со структурой чистой теории Янга–Миллса и является явлением, независимым от содержания материи. [13]
Теорема Элицура гарантирует, что локальные некалибровочно-инвариантные операторы не могут иметь ненулевые значения ожидания. Вместо этого необходимо использовать нелокальные калибровочно-инвариантные операторы в качестве параметров порядка для ограничения. Петля Вильсона является именно таким параметром порядка в чистой теории Янга–Миллса , где в фазе ограничения ее ожидание следует закону площади [14]
для петли, которая охватывает область . Это мотивируется потенциалом между бесконечно тяжелыми тестовыми кварками, который в фазе удержания, как ожидается, будет расти линейно, где известно как натяжение струны. Между тем, в фазе Хиггса ожидаемое значение следует закону периметра
где — длина периметра петли, а — некоторая константа. Закон площади петель Вильсона может быть использован для прямой демонстрации ограничения в некоторых низкоразмерных теориях, например, для модели Швингера , ограничение которой осуществляется инстантонами . [15]
В решеточной теории поля линии и петли Вильсона играют фундаментальную роль в формулировке калибровочных полей на решетке . Наименьшие линии Вильсона на решетке, те, что между двумя соседними точками решетки, известны как связи, при этом одна связь начинается с точки решетки и идет в направлении, обозначенном . Четыре связи вокруг одного квадрата известны как плакетки, а их следы образуют наименьшую петлю Вильсона. [16] Именно эти плакетки используются для построения калибровочного действия решетки, известного как действие Вильсона . Более крупные петли Вильсона выражаются как произведения переменных связей вдоль некоторой петли , обозначенной [17]
Эти петли Вильсона используются для численного изучения потенциала ограничения и кварков . Линейные комбинации петель Вильсона также используются в качестве интерполирующих операторов, которые приводят к состояниям глюбола . [18] Массы глюбола затем могут быть извлечены из корреляционной функции между этими интерполяторами. [19]
Решетчатая формулировка петель Вильсона также позволяет аналитически продемонстрировать ограничение в сильно связанной фазе, предполагая приближение закалки , в котором кварковые петли игнорируются. [20] Это делается путем разложения действия Вильсона в степенной ряд следов плакетов, где первый неисчезающий член в ожидаемом значении петли Вильсона в калибровочной теории приводит к закону площади с натяжением струны вида [21] [22]
где — обратная константа связи, а — шаг решетки. Хотя этот аргумент справедлив как для абелева, так и для неабелева случая, компактная электродинамика демонстрирует ограничение только при сильной связи, при этом происходит фазовый переход в кулоновскую фазу при , оставляя теорию деконфайнментированной при слабой связи. [23] [24] Считается, что такой фазовый переход не существует для калибровочных теорий при нулевой температуре , вместо этого они демонстрируют ограничение при всех значениях константы связи.
Аналогично функциональной производной , которая действует на функции функций , функции циклов допускают два типа производных, называемых производной площади и производной периметра. Чтобы определить первую, рассмотрим контур и другой контур , который является тем же контуром, но с дополнительной малой петлей в - плоскости с площадью . Тогда производная площади функционала цикла определяется с помощью той же идеи, что и обычная производная, как нормализованная разность между функционалом двух циклов [25]
Производная периметра определяется аналогично, при этом теперь есть небольшая деформация контура , который в позиции имеет небольшую выдавливающую петлю длины в направлении и нулевой площади. Производная периметра функционала петли тогда определяется как
В большом N-пределе вакуумное ожидание петли Вильсона удовлетворяет замкнутому функциональному уравнению, называемому уравнением Макеенко–Мигдала [26]
Здесь с является линией, которая не замыкается от до , с двумя точками, однако, близкими друг к другу. Уравнение также может быть записано для конечного , но в этом случае оно не факторизуется и вместо этого приводит к ожидаемым значениям произведений петель Вильсона, а не к произведению их ожидаемых значений. [27] Это приводит к бесконечной цепочке связанных уравнений для различных ожидаемых значений петель Вильсона, аналогично уравнениям Швингера–Дайсона . Уравнение Макеенко–Мигдала было решено точно в двумерной теории. [28]
Калибровочные группы, допускающие фундаментальные представления в терминах матриц, имеют петли Вильсона, которые удовлетворяют набору тождеств, называемых тождествами Мандельстама, причем эти тождества отражают особые свойства базовой калибровочной группы. [29] Тождества применяются к петлям, образованным из двух или более подпетлей, причем петля образована первым обходом , а затем обходом .
Тождество Мандельстама первого рода утверждает, что , причем это справедливо для любой калибровочной группы в любой размерности. Тождества Мандельстама второго рода приобретаются, если заметить, что в размерностях любой объект с полностью антисимметричными индексами исчезает, что означает, что . В фундаментальном представлении голономии, используемые для формирования петель Вильсона, являются матричными представлениями калибровочных групп. Свертывание голономий с дельта-функциями дает набор тождеств между петлями Вильсона. Их можно записать в терминах объектов, определенных итеративно, так что и
В этой записи тождества Мандельштама второго рода имеют вид [30]
Например, для калибровочной группы это дает .
Если фундаментальное представление — матрицы единичного определителя , то также справедливо, что . Например, применение этого тождества к дает
Фундаментальные представления, состоящие из унитарных матриц, удовлетворяют . Более того, в то время как равенство выполняется для всех калибровочных групп в фундаментальных представлениях, для унитарных групп выполняется, кроме того, что .
Поскольку петли Вильсона являются операторами калибровочных полей, регуляризация и перенормировка базовых полей и связей теории Янга–Миллса не препятствует петлям Вильсона требовать дополнительных поправок перенормировки. В перенормированной теории Янга–Миллса конкретный способ, которым петли Вильсона перенормируются, зависит от геометрии рассматриваемой петли. Основные особенности [31] [32] [33] [34]
Петли Вильсона играют роль в теории амплитуд рассеяния , где был найден набор дуальностей между ними и специальными типами амплитуд рассеяния. [35] Они впервые были предложены при сильной связи с использованием соответствия AdS/CFT . [36] Например, в суперсимметричной теории Янга–Миллса амплитуды максимального нарушения спиральности факторизуются в компонент уровня дерева и поправку уровня петли. [37] Эта поправка уровня петли не зависит от спиральностей частиц, но было обнаружено, что она дуальна определенным полигональным петлям Вильсона в большом пределе, вплоть до конечных членов. Хотя эта дуальность изначально была предложена только в случае максимального нарушения спиральности, есть аргументы в пользу того, что ее можно распространить на все конфигурации спиральности, определив соответствующие суперсимметричные обобщения петли Вильсона. [38]
В компактифицированных теориях нулевые модовые состояния калибровочного поля, которые локально являются чистыми калибровочными конфигурациями, но глобально неэквивалентны вакууму, параметризуются замкнутыми линиями Вильсона в компактном направлении. Наличие их в компактифицированной теории открытых струн эквивалентно в рамках T-дуальности теории с несовпадающими D-бранами , разделения которых определяются линиями Вильсона. [39] Линии Вильсона также играют роль в орбифолдных компактификациях, где их присутствие приводит к большему контролю над нарушением калибровочной симметрии, давая лучшее управление конечной ненарушенной калибровочной группой, а также предоставляя механизм для управления числом мультиплетов материи, оставшихся после компактификации. [40] Эти свойства делают линии Вильсона важными в компактификациях теорий суперструн. [41] [42]
В топологической теории поля математическое ожидание петель Вильсона не меняется при гладких деформациях петли, поскольку теория поля не зависит от метрики . [ 43] По этой причине петли Вильсона являются ключевыми наблюдаемыми в этих теориях и используются для вычисления глобальных свойств многообразия . В размерностях они тесно связаны с теорией узлов , причем математическое ожидание произведения петель зависит только от структуры многообразия и от того, как петли связаны друг с другом. Это привело к знаменитой связи, установленной Эдвардом Виттеном , где он использовал петли Вильсона в теории Черна–Саймонса, чтобы связать их функцию распределения с полиномами Джонса теории узлов. [44]