miniatura|Taula de partícules En física de partícules, la ruptura de la simetria quiral generalment es refereix a la ruptura dinàmica espontània d'una simetria quiral associada amb fermions sense massa. Això s'associa normalment amb una teoria de gauge com la cromodinàmica quàntica, la teoria quàntica de camps de la interacció forta, i també es produeix a través del mecanisme de Brout-Englert-Higgs en les interaccions electrofebles del Model Estàndard. Aquest fenomen és anàleg a la magnetització i la superconductivitat en la física de la matèria condensada, on, per exemple, la ruptura de la simetria quiral és el mecanisme pel qual els sistemes magnètics 3D desordenats tenen una temperatura de transició finita.H. Kawamura, (1992), Chiral ordering in Heisenberg spin glasses in two and three dimensions, Phys. Rev. Lett 68, 3785H. Kawamura, (1998), Dynamical Simulation of Spin-Glass and Chiral-Glass Orderings in Three-Dimensional Heisenberg Spin Glasses, Phys. Rev. Lett 80, 5421 La idea bàsica va ser introduïda a la física de partícules per Yoichiro Nambu, en particular, en el model de Nambu-Jona-Lasinio, que és una teoria resoluble de bosons compostos que presenta simetria quiral espontània dinàmica quan una constant d'acoblament de 4 fermions esdevé prou gran.Y. Nambu and G. Jona-Lasinio (1961), Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. I, Phys. Rev. 122, 345-358 Nambu va rebre el Premi Nobel de Física del 2008 "pel descobriment del mecanisme de trencament espontani de la simetria en la física subatòmica".
Visió general Cromodinàmica quàntica Els fermions sense massa en 4 dimensions es descriuen mitjançant espinors esquerrògens o dextrògens que tenen cadascun 2 components complexos. Aquests tenen un espín alineat (quiralitat dextrògica) o contraalineat (quiralitat esquerrògica) amb els seus moments. En aquest cas, la quiralitat és un nombre quàntic conservat del fermió donat, i els espinors esquerrà i dretà poden ser transformats de fase independentment. Més generalment poden formar multiplets sota algun grup de simetria .
Un terme de massa de Dirac trenca explícitament la simetria quiral. En electrodinàmica quàntica (QED), la massa de l'electró uneix espinors esquerrà i dretà formant un espinor de Dirac de 4 components. En absència de bucles de massa i quàntics, la QED tindria un simetria quiral, però la massa de Dirac de l'electró la trenca en una sola simetria que permet una rotació de fase comuna d'esquerra i dreta juntes, que és la simetria de gauge de l'electrodinàmica. (A nivell de bucle quàntic, la simetria quiral es trenca, fins i tot per a electrons sense massa, per l'anomalia quiral, però el La simetria de gauge es preserva, cosa essencial per a la consistència de la QED.)
En la QCD, la teoria de gauge de les interaccions fortes, els quarks de massa més baixa gairebé no tenen massa i hi ha una simetria quiral aproximada. En aquest cas, els quarks esquerrà i dretà són intercanviables en els estats lligats dels mesons i els barions, de manera que una simetria quiral exacta dels quarks implicaria una "duplicació de paritat", i cada estat hauria d'aparèixer en un parell de partícules de massa igual, anomenades "parelles de paritat". En la notació, (d'espín), a el mesó tindria, per tant, la mateixa massa que un company de paritat mesó.
Experimentalment, però, s'observa que les masses de la Els mesons pseudoescalars (com el pió) són molt més lleugers que qualsevol de les altres partícules de l'espectre. Les baixes masses dels mesons pseudoescalars, en comparació amb els estats més pesants, també són força sorprenents. Els següents estats més pesats són els mesons vectorials, , com ara el mesó rho, i el mesons escalars i Els mesons vectorials són encara més pesants, apareixent com a ressonàncies de curta durada lluny (en massa) dels seus companys de paritat.
Aquesta és una conseqüència primària del fenomen de trencament espontani de la simetria quiral en les interaccions fortes. En QCD, el sector fonamental dels fermions consisteix en tres "sabors" de quarks de massa lleugera, en ordre creixent de massa: up , down i strange (així com tres tipus de quarks pesants, charm , bottom i Si suposem que els quarks de llum idealment no tenen massa (i ignorem les interaccions electromagnètiques i febles), aleshores la teoria té una distribució global exacta simetria de sabor quiral. Sota la ruptura espontània de la simetria, la simetria quiral es trenca espontàniament al "subgrup SU(3) de sabor diagonal", generant bosons de Nambu-Goldstone de baixa massa. Aquests s'identifiquen amb els mesons pseudoescalars que es veuen a l'espectre i formen una representació en octets del grup de sabors diagonal SU(3).
Més enllà de la idealització dels quarks sense massa, les masses reals dels quarks petits (i les forces electrofebles) també trenquen explícitament la simetria quiral. Això es pot descriure mitjançant un lagrangià quiral on les masses dels mesons pseudoescalars estan determinades per les masses dels quarks, i es poden calcular diversos efectes quàntics en la teoria de pertorbacions quiral. Això es pot confirmar més rigorosament mitjançant càlculs de QCD en xarxa, que mostren que les masses pseudoescalars varien amb les masses dels quarks tal com dicta la teoria de pertorbacions quirals (efectivament com l'arrel quadrada de les masses dels quarks).Els tres quarks pesants: el quark c (charm), el quark b (bottom) i el quark t (top), tenen masses molt més grans que l'escala de les interaccions fortes, per la qual cosa no mostren les característiques de la ruptura espontània de la simetria quiral. Tanmateix, els estats lligats que consisteixen en un quark pesat i un quark lleuger (o dos quarks pesats i un de lleuger) encara mostren un comportament universal, on els estats fonamentals es divideixen dels socis de paritat per una bretxa de massa universal d'aproximadament (confirmat experimentalment per la ) a causa de la ruptura de la simetria quiral del quark lleuger (vegeu més avall).
Quarks de llum i generació de massa Si les masses dels tres quarks lleugers de QCD s'estableixen a zero, aleshores tenim un lagrangià amb un grup de simetria: Tingueu en compte que aquests Les simetries, anomenades simetries "quirals de sabor", no s'han de confondre amb la simetria de "color" dels quarks, que defineix la QCD com una teoria de gauge de Yang-Mills i condueix a la força gluònica que uneix els quarks en barions i mesons. En aquest article no ens centrarem en la dinàmica d'enllaç de la QCD on els quarks estan confinats dins de les partícules de barió i mesó que s'observen al laboratori (vegeu Cromodinàmica quàntica).
Es pot formar un condensat de buit estàtic, compost d'operadors bilineals que impliquen els camps quàntics dels quarks en el buit QCD, conegut com a condensat de fermions. Això pren la forma : impulsat pels efectes de bucle quàntic de quarks i gluons, amb El condensat no és invariant sota condicions independents o rotacions, però és invariant sota comú rotacions. La constant de decaïment dels pions, es pot veure com la mesura de la força de la ruptura de la simetria quiral.
El condensat de quarks és induït per interaccions fortes no pertorbatives i trenca espontàniament el fins al subgrup de vectors diagonals ; (això conté com a subgrup la simetria original de la física nuclear anomenada isospín, que actua sobre els quarks amunt i avall). El subgrup ininterromput de constitueix la idea original pre-quark de Gell-Mann i Ne'eman coneguda com el "Via Òctuple", que va ser l'esquema de classificació original i reeixit de les partícules elementals, inclosa l'estranyesa. El La simetria és anòmala, trencada pels efectes dels gluons coneguts com a instantons, i el mesó corresponent és molt més pesat que els altres mesons lleugers.
La ruptura de la simetria quiral és evident en la generació massiva de nucleons, ja que no apareixen parelles de paritat degenerades del nucleó. La ruptura de la simetria quiral i l'anomalia quàntica conforme expliquen aproximadament el 99% de la massa d'un protó o neutró, i aquests efectes expliquen, per tant, la major part de la massa de tota la matèria visible (el protó i el neutró, que formen els nuclis dels àtoms, són barions, anomenats nucleons).; Per exemple, el protó, de massa conté dos quarks up, cadascun amb una massa explícita i un quark down amb massa explícita . Ingènuament, les masses explícites dels quarks llum només contribueixen amb un total d'uns 9,4 MeV respecte a la massa del protó..
Per als quarks lleugers, el condensat de trencament de la simetria quiral es pot veure com la inducció de les anomenades masses de quarks constituents. Per tant, el quark light up, amb massa explícita i quark down amb massa explícita ara adquireixen masses de quark constituents d'aproximadament . La QCD condueix aleshores als estats lligats a barions, que contenen cadascun combinacions de tres quarks (com ara el protó (uud) i el neutró (udd)). Els barions adquireixen llavors masses donades, aproximadament, per les sumes de les masses dels seus quarks constituents.
Bosons de Nambu-Goldstone Un dels aspectes més espectaculars de la ruptura espontània de simetria, en general, és el fenomen dels bosons de Nambu-Goldstone. En QCD aquestes apareixen com a partícules aproximadament sense massa. corresponent als vuit generadors trencats de l'original Inclouen vuit mesons: els pions, els kaons i el mesó eta.
Aquests estats tenen masses petites a causa de les masses explícites dels quarks subjacents i, com a tals, es denominen "pseudo-bosons de Nambu-Goldstone" o "pNGB".
Els pNGB són un fenomen general i sorgeixen en qualsevol teoria quàntica de camps amb trencament de simetria tant espontani com explícit, simultàniament. Aquests dos tipus de trencament de simetria normalment es produeixen per separat i a diferents escales d'energia, i no es basen l'un en l'altre. Les propietats d'aquests pNGB es poden calcular a partir de lagrangians quirals, utilitzant la teoria de pertorbacions quiral, que s'expandeix al voltant de la teoria de massa de quarks zero exactament simètrica. En particular, la massa calculada ha de ser petita.
Tècnicament, els generadors de simetria quiral trencada espontàniament comprenen l'espai de classes laterals Aquest espai no és un grup, i consisteix en els vuit generadors axials, corresponents als vuit mesons pseudoescalars lleugers, la part no diagonal de
Mesons pesants-lleugers Els mesons que contenen un quark pesant, com ara el mesó charm (mesó D) o el beauty, i un antiquark lleuger (ja sigui up, down o strange), es poden veure com a sistemes en què el quark lleuger està "lligat" per la força gluònica al quark pesant fix, com una pilota lligada a un pol. Aquests sistemes ens donen una visió de la ruptura de la simetria quiral en la seva forma més simple, la d'un únic estat de quark llum.
El 1994, William A. Bardeen i Christopher T. Hill van estudiar les propietats d'aquests sistemes implementant tant la simetria dels quarks pesants com les simetries quirals dels quarks lleugers en una aproximació del model Nambu-Jona-Lasinio. Van demostrar que la ruptura de la simetria quiral causa els estats fonamentals de l'ona s (girar ) per ser separada dels estats excitats de la parella de paritat d'ona p per una "bretxa de massa" universal, . El model de Nambu-Jona-Lasinio va donar una estimació aproximada de la bretxa de massa de que seria zero si la ruptura de la simetria quiral estigués desactivada. Els estats excitats dels mesons lleugers i pesants no estranys solen ser ressonàncies de curta durada a causa del principal mode de decaïment fort. i, per tant, són difícils d'observar. Tot i que els resultats eren aproximats, implicaven els estranys mesons excitats amb encant podria ser anormalment estret (de llarga durada) ja que el mode de desintegració principal, quedaria bloquejat a causa de la massa del kaó ().