Könnte es in unserem Universum wieder zu spontanen Symmetriebrüchen kommen?

Das wird allgemein angenommen 10 − 35 Sekunden nach dem Urknall wurde die Symmetrie eines GUT gebrochen und danach 10 − 12 Sekunden war die elektroschwache Kraft gebrochen:

S U ( 2 ) × U ( 1 ) → U ( 1 )

Dieser Symmetriebruch ist das Ergebnis der Abkühlung des Universums und eines Phasenübergangs. Ich bin mir bewusst, dass die Temperatur des Universums es ungefähr ist 2.7 Kelvin, also kann die Temperatur des Universums nicht viel weiter sinken, aber ich habe mich gefragt, ob es eine Chance gibt, dass in Zukunft wieder ein weiterer Phasenübergang stattfindet?

Antworten (2)

Im Vakuum und nur mit den Teilchen, die wir kennen, lautet die Antwort nein . Schauen wir uns die Symmetrien an, von denen wir wissen, dass sie in der Natur existieren:

  1. S U ( 3 ) Farbe: begrenzt, unterhalb des QCD-Phasenübergangs existieren nur farblose Zustände
  2. S U ( 2 ) × U ( 1 ) Y elektroschwach: Higgsed to U ( 1 ) E M Elektromagnetismus
  3. U ( 1 ) E M : Hier haben wir Gelegenheit. Siehe unten...
  4. U ( 1 ) B − L : Globale Symmetrie in SM, möglicherweise gemessene Symmetrie von GUT oder überhaupt keine echte Symmetrie. Wenn es gemessen wird, ist es in hohem Maße gebrochen. Beachten Sie, dass wir für diese Symmetrie keine masselosen Goldstone-Bosonen sehen, es kann also keine spontan gebrochene globale Symmetrie sein. Es muss Higgsed sein oder überhaupt keine Symmetrie. In beiden Fällen ist es bereits zu einem Bruch gekommen oder wird es nie geben. Das Aufbrechen ist für die Baryogenese relevant, aber nicht für viel mehr.
  5. QCD-Chiral-Flavor-Symmetrie: nur eine ungefähre Symmetrie. Durch chirale Kondensate gebrochen, sind die Pseudo-Nambu-Goldsteine ​​die Mesonen. (Ich werde aufhören, ungefähre Symmetrien aufzulisten, sonst wird diese Liste sehr lang, aber diese ist ziemlich wichtig.)
  6. Lokale Poincare-Invarianz: Exakt und „geeicht“ in der Allgemeinen Relativitätstheorie. (Hinweis: Es gibt eine anhaltende Debatte darüber, ob Gravitation eine Eichtheorie ist. Es gibt wichtige Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen der Gravitation und den Standard-Yang-Mills-Eichtheorien. Daher die Angstzitate zu „eichfähig“.)
  7. Globale Poincare-Invarianz ( S Ö ( 1 , 3 ) ⋉ R 4 ): Spontan kaputt dadurch, dass sich das Universum ausdehnt und da Zeug drin ist . Dies ist eine Symmetrie der Minkowski-Raumzeit, daher wird sie häufig in der Teilchenphysik verwendet, aber es ist keine Symmetrie unseres tatsächlichen Universums, da es sich ausdehnt. Im Allgemeinen gibt es in GR keine globalen Symmetrien oder Erhaltungssätze, aber die üblichen Raumzeitsymmetrien gelten in sehr guter Näherung für Galaxienhaufen und kleinere Skalen. Meine vorherige Sprache sollte dies vermitteln, war aber schlampig und ungenau.

Soweit ich sehen kann, gibt es im aktuellen Universum zwei Möglichkeiten für einen spontanen Symmetriebruch: entweder Angriff Nr. 3 oder Nr. 6. Was brauchen Sie, um eine dieser Gruppen zu durchbrechen? Sie benötigen einen Ordnungsparameter, der sich unter den Symmetrien nicht trivial transformiert, um einen Erwartungswert ungleich Null anzunehmen.

Für Elektromagnetismus bedeutet das, dass Sie ein geladenes Kondensat benötigen, aber wir kennen keine geladenen Skalare und das chirale Kondensat ist notwendigerweise neutral (warum ist das? gute Frage ;)). Im Prinzip einer der W ± dienen könnten (wobei auch spontan die Lorentz-Invarianz gebrochen wird), aber das kann nicht passieren, weil sie eine große positive Masse im Quadrat durch den Higgs-Mechanismus haben. Sie müssten ein negatives effektives Massenquadrat erzeugen, indem Sie einen ausgefallenen neuen Mechanismus verwenden, der bei den niedrigen Energien, die wir sehen können, definitiv nicht existiert. Sie können EM also nicht im Vakuum brechen, aber Sie können es in einem Medium, in dem kollektive Bewegungen vieler Teilchen als Kondensat dienen. Diese exotischen Materialien werden Supraleiter genannt, und einige Leute halten sie für einigermaßen interessant. ;)

Damit bleibt die lokale Poincare-Invarianz. Dies kann durch ein Vektor- oder Tensorfeld gebrochen werden, das ein Kondensat entwickelt. Die Leute haben sich diese Art von Modellen angesehen, aber es ist unnötig zu erwähnen, dass es in der bekannten Physik nichts Vergleichbares gibt. Experimente haben die Poincare-Invarianz mit unglaublicher Genauigkeit demonstriert. Angesichts der Genauigkeit der Experimente und der kosmologischen Skala der Übergangstemperatur, über die wir sprechen, würden Sie einen Vektor oder Tensor mit einem kosmologisch kleinen negativen Massenquadrat benötigen. Das ist natürlich problematisch, besonders wenn man diese mit den bekannten Eichbosonen oder Graviton identifizieren will.

Interessante Antwort. Einige Punkte: 1) Die globale Poincare-Invarianz ist nicht spontan (wo sind die Goldstone-Bosonen?). 2) Die gemessene Poincare-Invarianz gibt GR nicht in 4 Dimensionen an. 3) Ich glaube, Sie haben die interessanteste Symmetrie für diese Antwort vergessen (vielleicht möchten Sie sie hinzufügen): die Peccei-Quinn-Symmetrie zur Lösung des CP-Strong-Problems.
@drake Gute Punkte. 1) Was sind die globalen Poincare-Transformationen für ein FRW-Universum? Ich denke, die Antwort ist, dass es von Anfang an nie eine Symmetrie war ... Ich war schlampig. :) Ich werde entsprechend bearbeiten. 2) Es gibt eine semantische Frage, ob Gravitation eine Eichtheorie ist oder nicht. Für die Zwecke dieser Frage bin ich auf der "Ja"-Seite gelandet, aber es ist ein legitimer Punkt, daher die erschreckenden Anführungszeichen, die ich auf "geeicht" gesetzt habe. 3) Ich hatte es nicht vergessen, aber ich habe es aus zwei Gründen weggelassen: Es ist nicht im SM und ich konzentriere mich auf bekannte Physik, und ich fühle mich nicht kompetent genug, um ausführlich darüber zu schreiben.
Fair genug +1. Viele Leute sagen zu Unrecht, dass die Lorentz-Invarianz spontan durch den Materiegehalt des Universums gebrochen wird. Bitte lesen Sie physical.stackexchange.com/questions/71476/… um zu sehen, in welchem ​​genauen Sinne die Allgemeine Relativitätstheorie eine Eichtheorie ist . Keine von ihnen enthält die Eichtheorie, die nach der Eichung der Poincare-Invarianz spezieller relativistischer Feldtheorien erhalten wurde.
@drake Interessanter Beitrag, aber ich verstehe das Problem nicht wirklich. Enthält lokales Poincare keine Diffeomorphime? Ich weiß, dass es in Yang-Mills keine Tetraden oder Torsion gibt, aber ich behaupte nicht, dass die Schwerkraft Yang-Mills ist. Das Problem ist also folgendes: „Beachten Sie, dass eine Eichtheorie eine Eichinvariantentheorie ist, aber eine Eichinvariantentheorie keine Eichtheorie sein muss (zum Beispiel ist das Standardmodell Eichinvariant, aber seitdem keine Eichtheorie die skalare Selbstwechselwirkung vergrößert die Eichsymmetrie des Modells nicht)."?
Da würde ich dem nicht zustimmen, aber es ist eine semantische Frage. Ich habe es nie als nützlich empfunden, zwischen „Eichtheorien“ und „Eichinvariantentheorien“ zu unterscheiden, aber vielleicht liegt das an mir! Danke trotzdem für deine Stimme. :)
Eine Sache ist, dass Sie (oder ich oder wer auch immer) die Unterscheidung nicht nützlich oder relevant finden, und eine andere Sache ist, dass es keinen Unterschied gibt. Es gibt im Allgemeinen einen Unterschied. Die Theorie oder Theorien, die man erhält, nachdem man Poincare oder gemessen hat R 4 × S L ( 4 , R ) sind nicht GR, weil z. B. ihre Verbindungen nicht torsionsfrei sind. Siehe zum Beispiel en.wikipedia.org/wiki/Gauge_gravitation_theory und arxiv.org/abs/gr-qc/9602013v1 .
Gar nicht. Ich genieße deine Antworten.

Wie Michael sagt, scheint es keine ernsthaften Möglichkeiten für eine Symmetriebrechung zu geben, jedoch einige Möglichkeiten für das Tunneln in einen anderen Vakuumzustand. Ironischerweise wäre dies wahrscheinlich eher eine Symmetriewiederherstellung als eine Symmetriebrechung.

Sie haben vielleicht schon von der String Landscape gehört . Dies ist die Idee, dass die Stringtheorie viele metastabile Lösungen für das Universum zulässt und wir uns möglicherweise in einem dieser metastabilen Zustände befinden. Es ist möglich, dass das Universum in einen Zustand tunnelt, in dem die Supersymmetrie ungebrochen ist und alle kompakten Dimensionen vollständig ausgedehnt sind.

Etwas weniger spekulativ ist der Vorschlag, dass das elektroschwache Vakuum instabil sein könnte. Dies wurde kurz in Measured Higgs Mass and Vacuum Stability diskutiert , oder siehe den Artikel von Alekhin, Djouadi und Moch .

Könnte es in unserem Universum wieder zu spontanen Symmetriebrüchen kommen?
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