В квантовой теории поля петли Вильсона представляют собой калибровочно-инвариантные операторы, возникающие в результате 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 так называемому закону площади. Первоначально сформулированные Кеннетом Г. Уилсоном в 1974 году, они использовались для построения связей и плакеток, которые являются фундаментальными параметрами в калибровочной теории решетки . [1] Петли Вильсона относятся к более широкому классу операторов петель , другими яркими примерами являются петли Т-Хофта , которые являются магнитными двойниками петель Вильсона, и петли Полякова , которые являются тепловой версией петель Вильсона.
Чтобы правильно определить петли Вильсона в калибровочной теории, необходимо рассмотреть формулировку расслоений калибровочных теорий. [2] Здесь для каждой точки -мерного пространства -времени существует копия калибровочной группы, образующая так называемый слой расслоения . Эти расслоения называются главными расслоениями . Локально полученное пространство выглядит так, хотя глобально оно может иметь некоторую закрученную структуру в зависимости от того, как склеены разные волокна.
Проблема, которую решают линии Вильсона, заключается в том, как сравнивать точки на волокнах в двух разных точках пространства-времени. Это аналогично параллельному транспорту в общей теории относительности , которая сравнивает касательные векторы , находящиеся в касательных пространствах в разных точках. Для главных расслоений существует естественный способ сравнения различных точек расслоения посредством введения связности , что эквивалентно введению калибровочного поля. Это связано с тем, что соединение — это способ разделить касательное пространство основного расслоения на два подпространства, известные как вертикальное и горизонтальное подпространства. [3] Первый состоит из всех векторов, направленных вдоль волокна, а второй состоит из векторов, перпендикулярных волокну. Это позволяет сравнивать значения волокон в разных точках пространства-времени, соединяя их с кривыми в основном пучке, касательные векторы которого всегда находятся в горизонтальном подпространстве, поэтому кривая всегда перпендикулярна любому данному волокну.
Если начальный слой находится в координате начальной точки тождества , то чтобы увидеть, как это изменится при переходе к другой координате пространства-времени , нужно рассмотреть некоторую кривую пространства-времени между и . Соответствующая кривая в главном расслоении, известная как горизонтальный подъем , представляет собой кривую такую, что и ее касательные векторы всегда лежат в горизонтальном подпространстве. Формулировка расслоенной теории калибровочной теории показывает, что калибровочное поле со значениями в алгебре Ли эквивалентно связности, 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 упорядочивания путей , который не нужен для абелевых теорий. Горизонтальный подъем, начинающийся в некоторой начальной точке волокна, отличной от единичной, просто требует умножения на начальный элемент исходного горизонтального подъема. В более общем плане считается, что если тогда 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 комбинационную калибровку инвариантной. [4] Это позволяет сравнивать поле материи в разных точках калибровочно-инвариантным способом. В качестве альтернативы линии Вильсона также можно ввести, добавив бесконечно тяжелую пробную частицу , заряженную под калибровочной группой. Ее заряд образует квантованное внутреннее гильбертово пространство , которое можно проинтегрировать, получив линию Вильсона как мировую линию пробной частицы. [5] Это работает в квантовой теории поля независимо от того, есть ли в теории какое-либо содержание материи. Однако гипотеза болот, известная как гипотеза полноты, утверждает, что в последовательной теории квантовой гравитации каждая линия Вильсона и линия Т-Хофта с определенным зарядом, согласующимся с условием квантования Дирака, должна иметь соответствующую частицу этого заряда, присутствующую в теория. [6] Разделение этих частиц путем принятия предела бесконечной массы больше не работает, поскольку это привело бы к образованию черных дыр .
След замкнутых линий Вильсона представляет собой калибровочно-инвариантную величину, известную как петля Вильсона.
Математически термин внутри следа известен как голономия , которая описывает отображение волокна в себя при горизонтальном подъеме по замкнутому контуру. Само множество всех голономий 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 восстановить всю калибровочно-инвариантную информацию о калибровочной связи. [7] Формально набор всех петель Вильсона образует сверхполный базис решений ограничения закона Гаусса.
Множество всех линий Вильсона находится во взаимно однозначном соответствии с представлениями калибровочной группы. Это можно переформулировать на языке алгебры Ли, используя решетку весов калибровочной группы . В этом случае типы петель Вильсона находятся во взаимно однозначном соответствии с где – группа Вейля . [8]
Альтернативный взгляд на петли Вильсона состоит в том, чтобы рассматривать их как операторы, действующие в гильбертовом пространстве состояний в сигнатуре Минковского . [5] Поскольку гильбертово пространство существует в одном временном интервале, единственные петли Вильсона, которые могут действовать как операторы в этом пространстве, — это те, которые сформированы с использованием пространственноподобных петель. Такие операторы создают замкнутый контур электрического потока , в чем можно убедиться, заметив, что оператор электрического поля не равен нулю в контуре , но исчезает везде. Из теоремы Стокса следует, что пространственная петля измеряет магнитный поток через петлю. [9]
Поскольку временные линии Вильсона соответствуют конфигурации, созданной бесконечно тяжелыми стационарными кварками, петлю Вильсона, связанную с прямоугольной петлей с двумя временными компонентами длины и двумя пространственными компонентами длины , можно интерпретировать как пару кварк -антикварк при фиксированном расстоянии. На больших временах вакуумное математическое ожидание петли Вильсона проецирует состояние с минимальной энергией , которое представляет собой потенциал между кварками. [10] Возбужденные состояния с энергией экспоненциально подавляются со временем, поэтому среднее значение имеет вид
что делает петлю Вильсона полезной для расчета 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 представляет собой явление, не зависящее от содержания материи. [13]
Теорема Элицура гарантирует, что локальные некалибровочные инвариантные операторы не могут иметь ненулевое математическое ожидание. 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 математическое ожидание следует закону площади [14]
для цикла, охватывающего область . Это мотивировано потенциалом между бесконечно тяжелыми пробными кварками, который, как ожидается, в фазе удержания будет расти линейно, что известно как натяжение струны. Между тем, в фазе Хиггса математическое ожидание подчиняется закону периметра.
где – длина периметра петли и – некоторая константа. Закон площади петель Вильсона можно использовать для прямой демонстрации ограничения в некоторых теориях малой размерности, например, в модели Швингера , ограничение которой обусловлено инстантонами . [15]
В решеточной теории поля линии и петли Вильсона играют фундаментальную роль в формулировке калибровочных полей на решетке . Наименьшие линии Вильсона на решетке, между двумя соседними точками решетки, известны как звенья, при этом одно звено начинается с точки решетки и идет в направлении, обозначенном . Четыре звена вокруг одного квадрата известны как плакетка, их след образует наименьшую петлю Вильсона. [16] Именно эти плакетки используются для построения калибровочного действия решетки, известного как действие Вильсона . Большие петли Вильсона выражаются как произведения переменных связи вдоль некоторой петли , обозначенной [17]
Эти петли Вильсона используются для численного изучения удержания и кварковых потенциалов . Линейные комбинации циклов Вильсона также используются в качестве интерполирующих операторов, которые приводят к состояниям глюбола . [18] Затем массы глюбола можно извлечь из корреляционной функции между этими интерполяторами. [19]
Решётчатая формулировка петель Вильсона также позволяет аналитически продемонстрировать удержание в сильно связанной фазе, предполагая приближение закалки , в котором кварковые петли пренебрегаются. [20] Это достигается путем разложения действия Вильсона как степенного ряда следов плакеток, где первый ненулевой член в среднем значении петли Вильсона в калибровочной теории приводит к закону площади с натяжением струны. вида [21] [22]
где – константа обратной связи, – 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 , в результате чего теория не ограничена при слабой связи. [23] [24] Считается, что такой фазовый переход не существует для калибровочных теорий при нулевой температуре , вместо этого они демонстрируют удержание при всех значениях константы связи.
Подобно функциональной производной , которая действует на функции функций , функции циклов допускают два типа производных , называемых производной по площади и производной по периметру. Чтобы определить первый, рассмотрим контур и другой контур , который представляет собой тот же контур, но с дополнительной маленькой петлей в плоскости - с площадью . Тогда производная площади петлевого функционала определяется по той же идее, что и обычная производная, как нормированная разность между функционалом двух петель [25]
Производная по периметру определяется аналогичным образом, при этом теперь происходит небольшая деформация контура, который в заданном положении имеет небольшую выдавливающую петлю длины в направлении и нулевой площади. Производная по периметру петлевого функционала тогда определяется как
В большом N-пределе вакуумное математическое ожидание петли Вильсона удовлетворяет уравнению замкнутой функциональной формы, называемому уравнением Макеенко – Мигдала [26]
Здесь речь идет о линии, которая не замыкается от до , но две точки расположены очень близко друг к другу. Уравнение также можно записать для конечного числа , но в этом случае оно не факторизуется и вместо этого приводит к средним значениям продуктов петель Вильсона, а не к продукту их средних значений. [27] Это приводит к возникновению бесконечной цепочки связанных уравнений для различных средних значений петли Вильсона, аналогичных уравнениям Швингера-Дайсона . Уравнение Макеенко–Мигдала решено точно в двумерной теории. [28]
Калибровочные группы, которые допускают фундаментальные представления в терминах матриц, имеют петли Вильсона, которые удовлетворяют набору тождеств, называемых тождествами Мандельштама, причем эти тождества отражают конкретные свойства базовой калибровочной группы. [29] Идентичности применяются к петлям, образованным из двух или более подпетлей, причем петля формируется путем сначала обхода , а затем обхода .
Тождество Мандельштама первого рода утверждает, что при этом справедливо для любой калибровочной группы в любом измерении. Тождества Мандельштама второго рода получаются, если отметить, что в измерениях любой объект с полностью антисимметричными индексами исчезает, а это означает, что . В фундаментальном представлении голономии, используемые для формирования петель Вильсона, являются матричными представлениями калибровочных групп. Сжатие голономий с помощью дельта-функций дает набор тождеств между петлями Вильсона. Их можно записать в терминах объектов, определенных итеративно, так что и
В этих обозначениях тождества Мандельштама второго рода имеют вид [30]
Например, для калибровочной группы это дает .
Если фундаментальным представлением являются матрицы с единичным определителем , то оно также имеет место . Например, применение этого тождества к дает
Фундаментальные представления, состоящие из унитарных матриц, удовлетворяют . Более того, хотя равенство справедливо для всех калибровочных групп в фундаментальных представлениях, для унитарных групп оно, кроме того, имеет место, что .
Поскольку петли Вильсона являются операторами калибровочных полей, регуляризация и перенормировка основных полей и связей теории Янга – Миллса не мешает петлям Вильсона требовать дополнительных поправок при перенормировке. В перенормированной теории Янга – Миллса конкретный способ перенормировки петель Вильсона зависит от геометрии рассматриваемой петли. Основные особенности: [31] [32] [33] [34]
Петли Вильсона играют роль в теории амплитуд рассеяния , где был обнаружен набор двойственностей между ними и особыми типами амплитуд рассеяния. [35] Впервые они были предложены при сильной связи с использованием соответствия AdS/CFT . [36] Например, в суперсимметричной теории Янга–Миллса максимальные амплитуды, нарушающие спиральность, факторизуются в компонент древесного уровня и поправку на петлевом уровне. [37] Эта поправка на уровень петли не зависит от спиральности частиц, но было обнаружено, что она двойственна некоторым полигональным петлям Вильсона в большом пределе, с точностью до конечных членов. Хотя эта двойственность первоначально предполагалась только в случае нарушения максимальной спиральности, есть аргументы в пользу того, что ее можно распространить на все конфигурации спиральности путем определения соответствующих суперсимметричных обобщений петли Вильсона. [38]
В компактифицированных теориях состояния калибровочного поля нулевой моды, которые являются локально чистыми калибровочными конфигурациями, но глобально неэквивалентны вакууму, параметризуются замкнутыми линиями Вильсона в компактном направлении. Их наличие в компактифицированной открытой теории струн эквивалентно при Т-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 лучший контроль над конечной ненарушенной калибровочной группой, а также обеспечивая механизм для контроля количества мультиплетов материи, оставшихся после компактификации. [40] Эти свойства делают линии Вильсона важными в компактификациях теорий суперструн. [41] [42]
В топологической теории поля среднее значение петли Вильсона не меняется при плавных деформациях петли, поскольку теория поля не зависит от метрики . [43] По этой причине петли Вильсона являются ключевыми наблюдаемыми в этих теориях и используются для расчета глобальных свойств многообразия . По размерностям они тесно связаны с теорией узлов , где математическое ожидание произведения петель зависит только от структуры многообразия и от того, как петли связаны друг с другом. Это привело к знаменитой связи, сделанной Эдвардом Виттеном , когда он использовал петли Вильсона в теории Черна – Саймонса, чтобы связать их статистическую сумму с полиномами Джонса теории узлов. [44]