В физике частиц и конденсированных сред бозоны Голдстоуна или бозоны Намбу–Голдстоуна ( NGB ) — это бозоны , которые обязательно появляются в моделях, демонстрирующих спонтанное нарушение непрерывных симметрий . Они были обнаружены Ёитиро Намбу в физике частиц в контексте механизма сверхпроводимости БКШ [1] и впоследствии объяснены Джеффри Голдстоуном [2] и систематически обобщены в контексте квантовой теории поля [3] . В физике конденсированных сред такие бозоны являются квазичастицами и известны как моды Андерсона–Боголюбова. [4] [5] [6]
Эти бесспиновые бозоны соответствуют спонтанно нарушенным внутренним генераторам симметрии и характеризуются их квантовыми числами . Они преобразуются нелинейно (смещаются) под действием этих генераторов и, таким образом, могут быть возбуждены из асимметричного вакуума этими генераторами. Таким образом, их можно рассматривать как возбуждения поля в направлениях нарушенной симметрии в групповом пространстве — и они безмассовы , если спонтанно нарушенная симметрия также не нарушена явно .
Если же симметрия не является точной, то есть если она явно нарушена, а также спонтанно нарушена, то бозоны Намбу–Голдстоуна не являются безмассовыми, хотя они обычно остаются относительно легкими; тогда их называют псевдоголдстоуновскими бозонами или псевдонамбу–голдстоуновскими бозонами (сокращенно PNGB ).
Теорема Голдстоуна рассматривает общую непрерывную симметрию , которая спонтанно нарушается ; т. е. ее токи сохраняются, но основное состояние не инвариантно под действием соответствующих зарядов. Затем, обязательно, в спектре возможных возбуждений появляются новые безмассовые (или легкие, если симметрия не точная) скалярные частицы. Для каждого генератора симметрии, которая нарушена, т. е. которая не сохраняет основное состояние , существует одна скалярная частица — называемая бозоном Намбу–Голдстоуна. Мода Намбу–Голдстоуна — это длинноволновая флуктуация соответствующего параметра порядка .
В силу своих особых свойств в соединении с вакуумом соответствующей теории с нарушенной симметрией исчезающие импульсные («мягкие») бозоны Голдстоуна, участвующие в амплитудах теории поля, заставляют такие амплитуды исчезать («нули Адлера»).
Рассмотрим комплексное скалярное поле ϕ с ограничением, что , константа. Один из способов наложить ограничение такого рода — включить потенциальное взаимодействие в его плотность Лагранжа ,
и принимая предел при λ → ∞ . Это называется «Абелева нелинейная σ-модель». [nb 2]
Ограничение и действие, приведенные ниже, инвариантны относительно фазового преобразования U (1), δϕ =i εϕ . Поле можно переопределить, чтобы получить реальное скалярное поле (т.е. частицу со спином ноль) θ без каких-либо ограничений
где θ — бозон Намбу–Голдстоуна (на самом деле так и есть), а преобразование симметрии U (1) приводит к сдвигу θ , а именно
но не сохраняет основное состояние |0〉 (т.е. указанное выше бесконечно малое преобразование не уничтожает его — признак инвариантности), как это очевидно из заряда тока ниже.
Таким образом, вакуум вырожден и неинвариантен под действием спонтанно нарушенной симметрии.
Соответствующая плотность Лагранжа определяется выражением
и таким образом
Обратите внимание, что постоянный член в плотности Лагранжа не имеет физического значения, а другой член в нем — это просто кинетический член для безмассового скаляра.
Симметрично обусловленный сохраняющийся ток U (1) равен
Заряд Q , возникающий в результате этого тока, сдвигает θ и основное состояние в новое, вырожденное основное состояние. Таким образом, вакуум с 〈θ〉 = 0 сместится в другой вакуум с 〈θ〉 = ε . Ток соединяет исходный вакуум с состоянием бозона Намбу–Голдстоуна, 〈0| J 0 (0)| θ〉≠ 0 .
В общем случае в теории с несколькими скалярными полями ϕ j мода Намбу–Голдстоуна ϕ g является безмассовой и параметризует кривую возможных (вырожденных) вакуумных состояний. Ее отличительной чертой при нарушенном преобразовании симметрии является неисчезающее вакуумное ожидание 〈δϕ g〉 , параметр порядка , для исчезновения 〈ϕ g〉 = 0 , в некотором основном состоянии |0〉 , выбранном в минимуме потенциала 〈∂ V /∂ ϕ i〉 = 0 . В принципе вакуум должен быть минимумом эффективного потенциала, который учитывает квантовые эффекты, однако он равен классическому потенциалу в первом приближении. Симметрия диктует, что все вариации потенциала относительно полей во всех направлениях симметрии исчезают. Вакуумное значение вариации первого порядка в любом направлении исчезает, как только что было показано; в то время как вакуумное значение вариации второго порядка также должно исчезнуть, как следует. Исчезающие вакуумные значения инкрементов преобразования симметрии поля не добавляют никакой новой информации.
Однако, напротив, неисчезающие вакуумные ожидания приращений преобразования , 〈δϕ g〉 , определяют соответствующие (голдстоуновские) нулевые собственные векторы матрицы масс ,
и, следовательно, соответствующие собственные значения нулевой массы.
Принцип, лежащий в основе аргумента Голдстоуна, заключается в том, что основное состояние не является уникальным. Обычно, в силу сохранения тока, оператор заряда для любого тока симметрии не зависит от времени,
Действие оператора заряда на вакуум либо уничтожает вакуум , если он симметричен; в противном случае, если нет , как в случае спонтанного нарушения симметрии, он создает из него состояние нулевой частоты, посредством его функции преобразования сдвига, проиллюстрированной выше. На самом деле, здесь сам заряд плохо определен, ср. аргумент Фабри–Пикассо ниже.
Но его коммутаторы с полями, ведущие себя лучше, то есть неисчезающие сдвиги преобразований 〈δϕ g〉 , тем не менее, инвариантны во времени ,
таким образом, генерируя δ( k 0 ) в своем преобразовании Фурье. [15] (Это гарантирует, что вставка полного набора промежуточных состояний в неисчезающий коммутатор тока может привести к исчезающей временной эволюции только тогда, когда одно или несколько из этих состояний являются безмассовыми.)
Таким образом, если вакуум не инвариантен относительно симметрии, действие оператора заряда создает состояние, которое отличается от выбранного вакуума, но имеет нулевую частоту. Это длинноволновое колебание поля, которое почти стационарно: существуют физические состояния с нулевой частотой, k 0 , так что теория не может иметь массовую щель .
Этот аргумент еще более проясняется, если осторожно взять предел. Если приближенный оператор заряда, действующий в огромной, но конечной области A, применяется к вакууму,
создается состояние с приблизительно исчезающей производной по времени,
Предполагая, что массовый зазор m 0 неисчезает , частота любого состояния, подобного приведенному выше, которое ортогонально вакууму, составляет по крайней мере m 0 ,
Если позволить A стать большим, то это приведет к противоречию. Следовательно, m 0 = 0. Однако этот аргумент не работает, когда симметрия калибруется, потому что тогда генератор симметрии выполняет только калибровочное преобразование. Калибровочно-преобразованное состояние — это то же самое точное состояние, так что действие с генератором симметрии не выводит его из вакуума (см. механизм Хиггса ).
Аргумент [16] [17] требует, чтобы и вакуум, и заряд Q были трансляционно инвариантными, P |0〉 = 0 , [ P,Q ]= 0 .
Рассмотрим корреляционную функцию заряда с самим собой,
поэтому подынтегральное выражение в правой части не зависит от положения.
Таким образом, его значение пропорционально общему объему пространства, — если только симметрия не нарушена, Q |0〉 = 0. Следовательно, Q не существует в гильбертовом пространстве в собственном смысле.
В теореме есть спорная лазейка. Если внимательно прочитать теорему, то она утверждает только то, что существуют невакуумные состояния с произвольно малыми энергиями. Возьмем, к примеру, киральную N = 1 супермодель КХД с ненулевым скварком VEV, которая конформна в ИК . Киральная симметрия — это глобальная симметрия , которая (частично) спонтанно нарушена. Некоторые из «бозонов Голдстоуна», связанных с этим спонтанным нарушением симметрии, заряжены под ненарушенной калибровочной группой, и, следовательно, эти составные бозоны имеют непрерывный спектр масс с произвольно малыми массами, но при этом нет бозона Голдстоуна с точно нулевой массой . Другими словами, бозоны Голдстоуна являются инфрачастицами .
Версия теоремы Голдстоуна также применима к нерелятивистским теориям. [18] [19] По сути, она утверждает, что для каждой спонтанно нарушенной симметрии соответствует некоторая квазичастица , которая обычно является бозоном и не имеет энергетической щели . В конденсированном веществе эти голдстоуновские бозоны также называются бесщелевыми модами (т. е. состояниями, в которых соотношение дисперсии энергии подобно и равно нулю для ), нерелятивистской версией безмассовых частиц (т. е. фотонами, в которых соотношение дисперсии также равно и нулю для ). Обратите внимание, что энергия в случае нерелятивистского конденсированного вещества равна H − μN − α → ⋅ P → , а не H , как это было бы в релятивистском случае. Однако два разных спонтанно нарушенных генератора теперь могут порождать один и тот же бозон Намбу–Голдстоуна.
В качестве первого примера антиферромагнетик имеет 2 голдстоуновских бозона, ферромагнетик имеет 1 голдстоуновский бозон, где в обоих случаях мы нарушаем симметрию от SO(3) до SO(2), для антиферромагнетика дисперсия равна , а математическое ожидание основного состояния равно нулю, для ферромагнетика вместо этого дисперсия равна , а математическое ожидание основного состояния не равно нулю, т.е. имеет место спонтанно нарушенная симметрия для основного состояния [20] [21]
В качестве второго примера, в сверхтекучей жидкости спонтанно нарушаются как симметрия числа частиц U(1) , так и симметрия Галилея . Однако фонон является бозоном Голдстоуна для обеих. [22] [23]
Тем не менее, в отношении нарушения симметрии существует также близкая аналогия между бесщелевыми модами в конденсированном веществе и бозоном Хиггса, например, при фазовом переходе из парамагнетика в ферромагнетик [24] [25]
В отличие от случая нарушения внутренних симметрий, когда симметрии пространства-времени, такие как симметрия Лоренца , конформная, вращательная или трансляционная, нарушаются, параметр порядка не обязательно должен быть скалярным полем, но может быть тензорным полем, а число независимых безмассовых мод может быть меньше числа спонтанно нарушенных генераторов. Для теории с параметром порядка , который спонтанно нарушает симметрию пространства-времени, число нарушенных генераторов минус число нетривиальных независимых решений для
— это число возникающих мод Голдстоуна. [26] Для внутренних симметрий приведенное выше уравнение не имеет нетривиальных решений, поэтому обычная теорема Голдстоуна верна. Когда решения существуют, это происходит потому, что моды Голдстоуна линейно зависят друг от друга, в том смысле, что результирующая мода может быть выражена как градиент другой моды. Поскольку пространственно-временная зависимость решений направлена на неразрушенные генераторы, когда все генераторы трансляции разорваны, нетривиальных решений не существует, и число мод Голдстоуна снова в точности равно числу разорванных генераторов.
В общем случае фонон фактически является бозоном Намбу–Голдстоуна для спонтанно нарушенной трансляционной [27] симметрии.
Спонтанно нарушенные глобальные фермионные симметрии, которые возникают в некоторых суперсимметричных моделях, приводят к фермионам Намбу-Голдстоуна , или голдстино . [28] [29] Они имеют спин 1 /2 , вместо 0, и несут все квантовые числа соответствующих генераторов суперсимметрии, нарушенных спонтанно.
Спонтанное нарушение суперсимметрии разбивает («редуцирует») супермультиплетные структуры в характерные нелинейные реализации нарушенной суперсимметрии, так что голдстино являются суперпартнерами всех частиц в теории, любого спина , и единственными суперпартнерами, при этом. То есть, две не-голдстино частицы связаны только с голдстино посредством преобразований суперсимметрии, а не друг с другом, даже если они были связаны таким образом до нарушения суперсимметрии. В результате массы и спиновые кратности таких частиц тогда произвольны.