Probleme beim manuellen Aufbringen von Masse auf die Yang-Mills-Theorie

Als die Feldtheorie von Yang-Mills eingeführt wurde, besteht ein Problem darin, dass die Eichinvarianz keine Masse für das Eichfeld zulassen kann. Später erfanden die Leute die spontane Symmetriebrechung und den Higgs-Mechanismus, um dem Eichfeld Masse zu verleihen. Das Higgs-Teilchen ist am LHC fast bestätigt.

Meine Frage ist, da es in der Natur eine Symmetrie-Nichterhaltung (P / CP) gibt, warum nicht einfach eine Masse direkt auf Yang-Mills Theorie setzen, eine nicht-abelsche Proca-Aktion erhalten, sagen wir, die Symmetrie des Messgeräts wird gebrochen (obwohl das Messgerät möglicherweise nicht ist). eine Symmetrie eigentlich Eichsymmetrie ist keine Symmetrie? ; eigentlich ist dieser Punkt subtiler, man kann auch eine Stueckelberg-Aktion machen, als den Eich zu fixieren, es führt zu der gleichen Lagrange-Funktion)? Gibt es einen theoretischen Grund dafür, nach der Yang-Mills-Theorie keine Masse von Hand hinzuzufügen? Oder nur weil das Higgs-Teilchen gefunden wurde, es funktioniert, das war's.

Mein Freund hat eine Vermutung, dass Eichinvarianz BRST-Symmetrie impliziert, was die mögliche Form von Lagrange einschränkt. Wenn man eine Renormierungsflusstransformation zu einer niedrigeren Energieskala ohne BRST-Symmetrie durchführt, wird es eine andere Kopplung in der effektiven Lagrange-Funktion bei einer niedrigeren Energieskala geben. Ich bin mir bei dieser Argumentation nicht sicher, da die BRST-Symmetrie die möglichen Gegenbegriffe einschränken kann. Kann sie auch die möglichen Begriffe im effektiven Lagrange einschränken?

Antworten (4)

In einer Quantentheorie ist die Eichsymmetrie eine unvermeidliche Folge der Poincare-Invarianz und der langreichweitigen Wechselwirkungen auf der klassischen Ebene (die schwachen und starken Wechselwirkungen sind aufgrund von Quanteneffekten wie Eingrenzung und Higgs-Mechanismus nicht langreichweitig). Wenn man eine Eichsymmetrie "bricht" (was sie nicht viel hat, da Eichsymmetrien eher mathematische Mehrdeutigkeiten als physikalische Symmetrien sind), muss man entweder aufgeben:

  1. Poincare-Invarianz.
  2. Existenz eines normierbaren Vakuumzustands (oder Existenz von Zuständen mit negativer Norm). Dies verhindert die probabilistische Interpretation der Quantenmechanik.

Beachten Sie, dass sich das Brechen einer Eichsymmetrie von der Formulierung einer Theorie ohne Eichinvarianz unterscheidet. Zum Beispiel hat die klassische Elektrodynamik in Bezug auf das elektrische und magnetische Feld keine Eichsymmetrie, aber sie bricht sie nicht.

Etwa 2, gibt es ein Problem mit der Quantisierung des Proca-Felds?
Man kann nicht sagen: „In einer Quantentheorie ist Eichsymmetrie eine unvermeidliche Folge der Poincare-Invarianz“, da Eichsymmetrien interne Symmetrien sind, die unabhängig von Raum-Zeit-Koordinaten sind und zusätzlich zur Poincare-Invarianz einer Theorie existieren können, unabhängig davon, ob die Theorie relavisitisch raumzeitinvariant oder nicht! Das Proca-Feld ist massiv und daher nicht so schwer zu quantifizieren wie das Maxwell-Feld. Das Buch "Feldquantisierung" von Walter Greiner zeigt beispielsweise, wie man Maxwell- und Proca-Felder quantisiert.
Die Objekte, auf denen Eichsymmetrie vorliegt, haben eine definierte Transformationseigenschaft unter Lorentz-Transformationen. Die entscheidende Eigenschaft, die in QFT-Lagrangians erforderlich ist, ist Lorentz-Invarianz und Renormierbarkeit. Eichinvarianz ist ein mögliches additives Merkmal einer Theorie.
Hallo @user26143 Abgesehen von möglichen Abweichungen gibt es kein Problem. Wenn wir Divergenzen berücksichtigen: 1) Die Theorie ist soweit renormierbar, dass der Massenterm durch einen Higgs-ähnlichen Mechanismus in einer Eichtheorie erhalten werden kann. Siehe Stueckelberg-Mechanismus in meiner Antwort in physical.stackexchange.com/questions/70882/… . 2) Es gibt Landau-ähnliche Pole, ähnlich wie bei QED.
@drake Ich habe Ihre Antwort im Link nicht durchgesehen, eine andere Frage sowieso. Bedeutet dies, dass die Proca-Aktion entweder als messgerätbrechende Lagrange- oder als messgerätfixierende Version der Stueckelberg-Aktion angesehen werden kann?
@drake Würden Sie eine Referenz für Ihre Punkte 1,2 angeben, dass das Brechen der Messsymmetrie das Brechen der Poincare-Invarianz oder des normalisierbaren (positiv-semi-definiten? Ebene-Wellen-Zustands spielt keine Rolle?) Grundzustands impliziert?
Hallo @hansenet. Ich kann das sagen. Beachten Sie, dass ich von einer Wechselwirkungstheorie mit langreichweitigen Wechselwirkungen in der 3 + 1-Dimension usw. spreche. Beachten Sie, dass man ein masseloses Vektorfeld benötigt. Wenn man mit einem masselosen vektoriellen Feld beginnt, das zusätzliche (mehr als 2) nicht-physikalische Polarisationen enthält, dann braucht man Eichinvarianz, um sie zu entkoppeln (ansonsten hat die Theorie Pathologien). Wenn man es jedoch vorzieht, mit einem Feld mit nur den 2 physikalischen Polarisationen zu beginnen, dann braucht man Eichinvarianz, um die Poincare-Invarianz zu bewahren.
@ user26143 Fast jedes Einführungsbuch zu QFT, das sich mit QED befasst, erklärt, dass man eine Eichinvarianz benötigt, um unphysikalische Polarisationen zu entkoppeln, um negative Normzustände oder das Fehlen eines Vakuumzustands zu vermeiden. Zum Beispiel Greiners Buch, das von Hansenet erwähnte. Sie können ein paar Artikel von Weinberg in den 60er Jahren lesen, in denen er zeigt, dass man, wenn man nur mit den beiden physikalischen Polarisationen beginnt, eine Eichinvarianz benötigt, um die Lorentz-Invarianz zu bewahren. In seinem QFT-Buch ist es auch skizziert.
@drake, wenn man das Proca-Feld quantisieren kann, welche Rolle spielt dann die Eichsymmetrie?
Masselose Vektorteilchen entstehen natürlich durch die Geometrie der Eichinvarianz, dh der Lokalität der Transformation. Was ich meinte ist, dass nicht jede relativistische Theorie auch eine Eichinvarianz besitzen muss. Aber wenn Sie Eichinvarianz haben, entstehen Vektorpartikel als Eichbosonen und Sie brauchen Lorentzsymmetrie, um die beobachteten Freiheitsgrade zu berücksichtigen, wie Sie erwähnt haben.
@ user26143 Die Punkte sind: 1) Phänomenologisch: Wir wollen Wechselwirkungen (Elektrodynamik) beschreiben, die a ergeben 1 / R statisches Potenzial. Außerdem wissen wir (aus der statistischen Mechanik), dass Photonen nur zwei Polarisationen haben. Keine dieser Eigenschaften wird vom Proca-Feld reproduziert. 2) Das Analogon eines Proca-Feldes in einer nicht-abelschen Theorie hat nicht die relevanten Eigenschaften (Ward-Identitäten, störende Renormierbarkeit), die das Proca-Feld hat.
@drake, aus Neugier, aus der Leistungszählung, ist das nicht-abelsche Proca-Feld renormalisierbar. Woher kommt das Problem der Nichtrenormalisierbarkeit?
@ user26143 Nein, die Leistungszählung ist nicht renormalisierbar. Einige Stornierungen aufgrund von Spurweiteninvarianz sind erforderlich.
@drake Ich kann Weinbergs QFT auf den Beweis der Renormalisierbarkeit nicht-abelscher Eichtheorien überprüfen. Würden Sie mir vorher kurz sagen, was eigentlich bei der Leistungszählung fehlt? Vielen Dank!
@ user26143 Wenn Sie QED studiert haben, werden Sie wissen, dass es anscheinend wundersame Aufhebungen gibt - die eine Folge der Eichinvarianz sind -, die die Matrixelemente nach der Renormierung endlich machen. Sie sollten eher von der Renormierbarkeit der Proca-Theorie überrascht sein als von der Nicht-Renormierbarkeit eines geladenen Vektorfelds mit einem expliziten Massenterm. Schreibt man zum Beispiel einen expliziten Massenbegriff für W 's und Z Boson, eher als ein durch den Higgs-Mechanismus gegebenes, findet man eine Verletzung der Unitarität herum 700 GeV aufgrund der Nichtrenormierbarkeit der Theorie.
Dies impliziert sehr wahrscheinlich die Existenz neuer Freiheitsgrade, die wiederum das skalare Dublett oder Higgs-Feld sind.
@Drake, vielen Dank. Ich hatte einen QFT-Kurs, der das Leistungszählen einführt, und ich fand keinen Fehler für dieses Verfahren. Ich sollte die Renormalisierung sorgfältig überdenken.

In allgemeinen Eichtheorien, ob abelsch oder nicht-abelsch, sind Massenbegriffe nicht per Konstruktion verboten. Wenn man eine chirale Eichsymmetrie hat, das heißt eine Eichsymmetrie, bei der sich links- und rechtshändige Teilchen unter der Eichtransformation unterschiedlich umwandeln, dann zerstören Massenterme unweigerlich die Eichsymmetrie und sind daher verboten. Das bekannteste Beispiel ist die SU(2)xU(1)-Symmetrie der elektroschwachen Symmetrie, bei der on den Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung (als Higgs-Mechanismus bezeichnet, der durch das Higgs-Feld induziert wird) aufruft, um Massenterme für die Fermionen zu ermöglichen. Jeder andere Weg, Massenterme in diese chirale Theorie einzuführen, zerstört die Eichsymmetrie! In QCD wie QED gibt es eine Links-Rechts-Symmetrie unter Eichtransformation, daher sind Massenterme zumindest in Bezug auf die Eichsymmetrie zulässig.

Um eine nicht spontan gebrochene Eichsymmetrie zu quantisieren, bei der die Eichbosonen masselos bleiben, ist man gezwungen, die Eichweite der Lagrangian zu fixieren, um eine physikalische und empfindliche Theorie zu erhalten. Dieser eichfeste Lagrangian hat jedoch immer noch die BRST-Symmetrie, was, wenn man die infinitesmalen Transformationseigenschaften der BRST-Transformation betrachtet, eine spezielle Eichtransformation mit einem nilpotenten Transformationsparameter ist.

Was diese BRST-Symmetrie tatsächlich in pertubativen Berechnungen bewirkt, ist sicherzustellen, dass nur physikalische Freiheitsgrade in asymptotischen Teilchenzuständen erscheinen, dh Teilchen, die in einem Streuprozess in Ein- und Aus-Zuständen der S-Matrix erzeugt werden. Der nilpotente BRST-Symmetrieoperator sortiert die Zustände, auf die er einwirkt, in verschiedene Zustandsräume ein, je nachdem, ob sie physikalisch sind oder nicht.

Wenn Sie sich besonders für BRST-Symmetrie interessieren, kann ich Ihnen die Lehrbücher von 1.Peskin & Schroeder (An Introduction to Quantum Field Theory) empfehlen. 2.Steven Weinberg (Die Quantentheorie der Felder, Band II), 3.Mark Sredenicki (Quantenfeldtheorie, meiner Meinung nach eine besser lesbare Einführung als die Bücher von Peskin und Weinberg).

Meine Frage ist, warum wir die Eichsymmetrie schützen müssen

Denn das Grundkonzept einer Eichtheorie ist ihre Invarianz unter einer Eichsymmetrie, die in der Natur verwirklicht ist. Ohne Eichsymmetrie wären Eichbosonen nutzlos und entbehrlich. Aber das Entscheidende ist, dass diese Eichbosonen in der Natur beobachtet werden und die Art und Weise, wie sie mit aus Fermionen aufgebauten Materieinhalten wechselwirken, durchweg experimentell nachgewiesen und mit großer Genauigkeit bestätigt wurde. Der große experimentelle Erfolg der Anwendung von Eichtheorien auf die starken und elektroschwachen Wechselwirkungen hat diese Eichtheorien etabliert. In der Physik kann man aus verschiedenen Modellen immer dasjenige auswählen, das die phänomenologischen Beobachtungen am besten beschreibt. Und in den Wechselwirkungen zwischen Fundamentalteilchen hat man mit dem auf Eichtheorien basierenden Wechselwirkungsmodell die beste Theorie gefunden, die zu den experimentellen Daten passt.

Der Grund, warum wir die Eichsymmetrie schützen, ist daher, dass sie ein grundlegender Bestandteil des Bauplans der Natur zu sein scheint, der zusammen mit der Renormierbarkeit die möglichen Begriffe in Lagrangianern einschränkt, die die Natur so beschreiben, wie wir sie experimentell beobachten. Die Natur selbst gibt Ihnen also das stärkste Alibi, welche Eichsymmetrie gewahrt werden sollte.

Nein das ist es überhaupt nicht. Wenn Sie einen Massenterm von Hand in Yang-Mühlen eingeben, verletzen Sie am Ende die Einheitlichkeit beim Streuen bei hoher Energie. Mit dem Stückelberg-Trick kommt man in einer abelschen Theorie damit durch, weil die Longitudinalmode schwach gekoppelt wird. Aber im nichtabelschen Fall werden die Längsmoden stark gekoppelt und Sie müssen entweder die Lorentz-Invarianz oder die Unitarität brechen.
Ich meinte Massenbegriffe für die Fermionen, nicht für die Bosonen. Natürlich weiß ich, dass Massenterme für Eichbosonen die Eichsymmetrie brechen und daher nicht erlaubt sind.
@Michael Brown, ich habe gehört, dass das Problem der nicht-abelschen Stueckelberg-Aktion entweder die Renormalisierbarkeit oder die Einheitlichkeit iopscience.iop.org/1742-6596/284/1/012008/pdf/… bricht , obwohl für eine effektive Theorie die Renormalisierbarkeit nicht entscheidend ist. Wurde eine nicht-abelsche Stueckelberg-Aktion bereits von LHC ausgeschlossen?
Das ist genau das, wonach ich gesucht habe! Leider funktioniert diese URL nicht mehr. Für zukünftige Besucher dieser Seite: Die korrekte URL lautet jetzt iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/284/1/012008/pdf

Das Hinzufügen von Masse von Hand führt zu einem Verlust der Einheitlichkeit über ein bestimmtes Energieniveau oder zumindest zum Zusammenbruch der Störungstheorie über derselben Energieskala und, was noch wichtiger ist, zu einem Verlust der Renormierbarkeit.

Wir brauchen Eichsymmetrie, um bewahrt zu werden, da Theorien mit einer solchen Symmetrie mit Unitarität und Renormierbarkeit übereinstimmen.

Ohne t'hooft und Veltman, die die Renormierbarkeit von Eichtheorien beweisen, die Masse über SSB erfassen, wären Eichtheorie und Eichsymmetrie nicht von großer Bedeutung.

Deshalb ist Eichsymmetrie der Schlüssel in der Physik.

Ich habe auch den Punkt mit CP nicht verstanden.