Теория Янга–Миллса — это квантовая теория поля для ядерной связи, разработанная Чэнь Нин Янгом и Робертом Миллсом в 1953 году, а также общий термин для класса подобных теорий. Теория Янга–Миллса — это калибровочная теория , основанная на специальной унитарной группе SU( n ) , или, в более общем смысле, на любой компактной группе Ли . Теория Янга–Миллса стремится описать поведение элементарных частиц с использованием этих неабелевых групп Ли и лежит в основе объединения электромагнитного взаимодействия и слабых взаимодействий (т. е. U(1) × SU(2) ), а также квантовой хромодинамики , теории сильного взаимодействия (основанной на SU(3) ). Таким образом, она составляет основу понимания Стандартной модели физики элементарных частиц.
Все известные фундаментальные взаимодействия могут быть описаны в терминах калибровочных теорий, но на разработку этого вопроса ушли десятилетия. [2] Новаторская работа Германа Вейля над этим проектом началась в 1915 году, когда его коллега Эмми Нётер доказала, что каждая сохраняющаяся физическая величина имеет соответствующую симметрию, и достигла кульминации в 1928 году, когда он опубликовал свою книгу, в которой применил геометрическую теорию симметрии ( теорию групп ) к квантовой механике. [3] : 194 Вейль назвал соответствующую симметрию в теореме Нётер «калибровочной симметрией» по аналогии со стандартизацией расстояний в железнодорожной колеи .
Эрвин Шредингер в 1922 году, за три года до работы над своим уравнением, связал концепцию группы Вейля с зарядом электрона. Шредингер показал, что группа производит сдвиг фаз в электромагнитных полях, который соответствует сохранению электрического заряда. [3] : 198 По мере развития теории квантовой электродинамики в 1930-х и 1940-х годах групповые преобразования играли центральную роль. Многие физики считали, что должен быть аналог для динамики нуклонов. Чэнь Нин Ян в частности был одержим этой возможностью.
Основная идея Янга состояла в том, чтобы найти сохраняющуюся величину в ядерной физике, сопоставимую с электрическим зарядом, и использовать ее для разработки соответствующей калибровочной теории, сопоставимой с электродинамикой. Он остановился на сохранении изоспина , квантового числа, которое отличает нейтрон от протона, но не добился никакого прогресса в теории. [3] : 200 Взяв перерыв в Принстоне летом 1953 года, Ян встретил сотрудника, который мог бы помочь: Роберта Миллса . Как описывает сам Миллс:
«В 1953–1954 учебном году Янг был гостем в Брукхейвенской национальной лаборатории ... Я также был в Брукхейвене... и был назначен в тот же офис, что и Янг. Янг, который неоднократно демонстрировал свою щедрость к физикам, начинающим свою карьеру, рассказал мне о своей идее обобщения калибровочной инвариантности, и мы довольно долго ее обсуждали... Мне удалось внести кое-что в обсуждения, особенно в отношении процедур квантования, и в небольшой степени в разработку формализма; однако ключевые идеи принадлежали Янг». [4]
Летом 1953 года Янг и Миллс расширили концепцию калибровочной теории для абелевых групп , например, квантовой электродинамики , на неабелевы группы, выбрав группу SU(2) для объяснения сохранения изоспина в столкновениях, включающих сильные взаимодействия. Представление Янгом работы в Принстоне в феврале 1954 года было оспорено Паули, который спросил о массе в области, разработанной с идеей калибровочной инвариантности. [3] : 202 Паули знал, что это может быть проблемой, поскольку он работал над применением калибровочной инвариантности, но решил не публиковать ее, рассматривая безмассовые возбуждения теории как «нефизические „теневые частицы“». [2] : 13 Янг и Миллс опубликовали в октябре 1954 года; ближе к концу статьи они признают:
Далее мы подходим к вопросу о массе кванта , на который у нас нет удовлетворительного ответа. [5]
Эта проблема нефизического безмассового возбуждения заблокировала дальнейший прогресс. [3]
Идея была отложена до 1960 года, когда была выдвинута концепция частиц, приобретающих массу посредством нарушения симметрии в безмассовых теориях, первоначально Джеффри Голдстоуном , Йоитиро Намбу и Джованни Джона-Лазинио . Это побудило к значительному перезапуску исследований теории Янга-Миллса, которые оказались успешными в формулировке как электрослабого объединения , так и квантовой хромодинамики (КХД). Электрослабое взаимодействие описывается калибровочной группой SU(2) × U(1) , в то время как КХД является теорией Янга-Миллса SU(3) . Безмассовые калибровочные бозоны электрослабого SU(2) × U(1) смешиваются после спонтанного нарушения симметрии , чтобы произвести три массивных бозона слабого взаимодействия (
Вт+
,
Вт−
, и
З0
) а также все еще безмассовое фотонное поле. Динамика фотонного поля и его взаимодействия с веществом, в свою очередь, регулируются калибровочной теорией U(1) квантовой электродинамики. Стандартная модель объединяет сильное взаимодействие с объединенным электрослабым взаимодействием (объединяя слабое и электромагнитное взаимодействие ) через группу симметрии SU(3) × SU(2) × U(1) . В нынешнюю эпоху сильное взаимодействие не объединено с электрослабым взаимодействием, но из наблюдаемого хода констант связи считается [ необходима ссылка ] что все они сходятся к одному значению при очень высоких энергиях.
Феноменология при более низких энергиях в квантовой хромодинамике не полностью понята из-за трудностей управления такой теорией с сильной связью. Это может быть причиной того, что конфайнмент не был теоретически доказан, хотя это последовательное экспериментальное наблюдение. Это показывает, почему конфайнмент КХД при низкой энергии является математической проблемой большой значимости, и почему проблема существования Янга-Миллса и массового зазора является проблемой премии тысячелетия .
В 1953 году в частной переписке Вольфганг Паули сформулировал шестимерную теорию уравнений поля Эйнштейна общей теории относительности , расширив пятимерную теорию Калуцы, Клейна , Фока и других на многомерное внутреннее пространство. [6] Однако нет никаких доказательств того, что Паули разработал лагранжиан калибровочного поля или его квантование. Поскольку Паули обнаружил, что его теория «приводит к некоторым довольно нефизическим теневым частицам», он воздержался от официальной публикации своих результатов. [6] Хотя Паули не опубликовал свою шестимерную теорию, он прочитал о ней два семинарских лекции в Цюрихе в ноябре 1953 года. [6]
В январе 1954 года Рональд Шоу , аспирант Кембриджского университета, также разработал неабелеву калибровочную теорию для ядерных сил. [7] Однако, для поддержания калибровочной инвариантности этой теории требовались безмассовые частицы . Поскольку в то время такие безмассовые частицы были известны, Шоу и его научный руководитель Абдус Салам решили не публиковать свою работу. [7] Вскоре после того, как Янг и Миллс опубликовали свою статью в октябре 1954 года, Салам призвал Шоу опубликовать свою работу, чтобы отметить его вклад. Шоу отказался, и вместо этого она составила лишь главу его докторской диссертации, опубликованной в 1956 году. [8] [9]
Теории Янга–Миллса являются частными примерами калибровочных теорий с неабелевой группой симметрии, заданной лагранжианом
с генераторами алгебры Ли , индексированными как a , соответствующими F -величинам ( форма кривизны или напряженности поля), удовлетворяющим
Здесь f abc — структурные константы алгебры Ли (полностью антисимметричные, если генераторы алгебры Ли нормализованы так, что пропорциональны ), ковариантная производная определяется как
I — единичная матрица (соответствующая размеру генераторов), — векторный потенциал, а g — константа связи . В четырех измерениях константа связи g — это чистое число, и для группы SU( n ) имеем
Отношение
может быть получено с помощью коммутатора
Поле обладает свойством самовзаимодействия, и уравнения движения, которые получаются, называются полулинейными, поскольку нелинейности бывают как с производными, так и без них. Это означает, что можно управлять этой теорией только с помощью теории возмущений с малыми нелинейностями. [ необходима цитата ]
Обратите внимание, что переход между «верхними» («контравариантными») и «нижними» («ковариантными») векторными или тензорными компонентами тривиален для индексов (например, ), тогда как для μ и ν он нетривиален, что соответствует, например, обычной сигнатуре Лоренца,
Из данного лагранжиана можно вывести уравнения движения, заданные как
Помещая их можно переписать как
Идентичность Бьянки сохраняется
что эквивалентно тождеству Якоби
Так как мы определяем тензор двойной прочности , то тождество Бьянки можно переписать как
Источник входит в уравнения движения как
Обратите внимание, что токи должны правильно изменяться при преобразованиях калибровочной группы.
Мы приводим здесь некоторые комментарии о физических размерах связи. В измерениях D поле масштабируется как и, следовательно, связь должна масштабироваться как Это подразумевает, что теория Янга–Миллса не перенормируема для измерений больше четырех. Более того, для D = 4 связь безразмерна , и как поле, так и квадрат связи имеют те же самые размерности поля и связи безмассовой теории скалярного поля четвертой степени . Таким образом, эти теории разделяют масштабную инвариантность на классическом уровне.
Метод квантования теории Янга–Миллса — функциональные методы, т.е. интегралы по траекториям . Вводится производящий функционал для n -точечных функций как
но этот интеграл не имеет смысла сам по себе, поскольку потенциальный вектор может быть выбран произвольно из-за свободы калибровки . Эта проблема уже была известна для квантовой электродинамики, но здесь она становится более серьезной из-за неабелевых свойств калибровочной группы. Выход был дан Людвигом Фаддеевым и Виктором Поповым с введением поля- призрака (см. привидение Фаддеева–Попова ), которое обладает свойством быть нефизичным, поскольку, хотя оно и согласуется со статистикой Ферми–Дирака , это сложное скалярное поле, которое нарушает теорему о спиновой статистике . Таким образом, мы можем записать производящий функционал как
существование
для поля,
для крепления датчика и
для призрака. Это выражение обычно используется для вывода правил Фейнмана (см. диаграмму Фейнмана ). Здесь у нас есть c a для поля призрака, в то время как ξ фиксирует выбор калибровки для квантования. Правила Фейнмана, полученные из этого функционала, следующие
Эти правила для диаграмм Фейнмана можно получить, если переписать приведенный выше производящий функционал в виде
с
будучи производящим функционалом свободной теории. Разлагая по g и вычисляя функциональные производные , мы можем получить все n -точечные функции с помощью теории возмущений. Используя формулу редукции LSZ, мы получаем из n -точечных функций соответствующие амплитуды процесса, сечения и скорости распада . Теория перенормируема, и поправки конечны в любом порядке теории возмущений.
Для квантовой электродинамики поле призрака расцепляется, поскольку калибровочная группа абелева. Это можно увидеть из связи между полем калибровки и полем призрака, которая равна Для абелева случая все структурные константы равны нулю, и поэтому связи нет. В неабелевом случае поле призрака представляется полезным способом переписать квантовую теорию поля без физических последствий для наблюдаемых величин теории, таких как сечения или скорости распада.
Одним из важнейших результатов, полученных для теории Янга–Миллса, является асимптотическая свобода . Этот результат можно получить, предположив, что константа связи g мала (настолько мала нелинейность), как для высоких энергий, и применив теорию возмущений . Значимость этого результата обусловлена тем фактом, что теория Янга–Миллса, описывающая сильное взаимодействие и асимптотическую свободу, позволяет правильно обрабатывать экспериментальные результаты, полученные из глубоконеупругого рассеяния .
Чтобы получить поведение теории Янга–Миллса при высоких энергиях и, таким образом, доказать асимптотическую свободу, применяется теория возмущений, предполагающая малую связь. Это проверяется апостериори в ультрафиолетовом пределе . В противоположном пределе, инфракрасном пределе, ситуация противоположная, поскольку связь слишком велика для того, чтобы теория возмущений была надежной. Большинство трудностей, с которыми сталкиваются исследования, — это просто управление теорией при низких энергиях. Это интересный случай, присущий описанию адронной материи и, в более общем плане, всем наблюдаемым связанным состояниям глюонов и кварков и их удержанию (см. адроны ). Наиболее используемый метод изучения теории в этом пределе — попытаться решить ее на компьютерах (см. решеточную калибровочную теорию ). В этом случае требуются большие вычислительные ресурсы, чтобы убедиться, что получен правильный предел бесконечного объема (меньшее расстояние между решетками). Это предел, с которым необходимо сравнивать результаты. Меньшее расстояние и большая связь не являются независимыми друг от друга, и для каждого из них требуются большие вычислительные ресурсы. На сегодняшний день ситуация кажется несколько удовлетворительной для адронного спектра и вычисления пропагаторов глюона и призрака, но спектры глюбола и гибридов все еще остаются под вопросом ввиду экспериментального наблюдения таких экзотических состояний. Действительно, σ- резонанс [10] [11] не наблюдается ни в одном из таких решеточных вычислений, и были выдвинуты противоположные интерпретации. Это горячо обсуждаемый вопрос.
Теории Янга–Миллса получили всеобщее признание в физическом сообществе после того, как в 1972 году Джерард 'т Хоофт разработал их перенормировку, опираясь на формулировку проблемы, разработанную его научным руководителем Мартинусом Вельтманом . [12] Перенормируемость достигается даже в том случае, если калибровочные бозоны, описываемые этой теорией, массивны, как в электрослабой теории, при условии, что масса является лишь «приобретенной», генерируемой механизмом Хиггса .
Математика теории Янга–Миллса является очень активной областью исследований, дающей, например, инварианты дифференцируемых структур на четырехмерных многообразиях с помощью работы Саймона Дональдсона . Кроме того, область теорий Янга–Миллса была включена в список « Проблем тысячелетия » Математического института Клэя . Здесь призовая проблема состоит, в частности, в доказательстве гипотезы о том, что низшие возбуждения чистой теории Янга–Миллса (т.е. без полей материи) имеют конечную массовую щель относительно вакуумного состояния. Другая открытая проблема, связанная с этой гипотезой, — это доказательство свойства конфайнмента в присутствии дополнительных фермионов.
В физике обзор теорий Янга–Миллса обычно начинается не с анализа возмущений или аналитических методов, а в последнее время с систематического применения численных методов к решеточным калибровочным теориям .