Кіріспе

Массасыз бозон, спонтанды түрде бұзылған симметрияға ие кванттық жүйеде болуы тиіс. Бөлшектер және конденсирленген зат физикасында Голдстоун бозондары немесе Намбу–Голдстоун бозондары (NGB) – үздіксіз симметриялардың спонтанды түрде бұзылуын көрсететін модельдерде міндетті түрде пайда болатын бозондар. Оларды бөлшектер физикасында Йоичиро Намбу БКС суперөткізгіштік механизмі аясында ашқан, кейін Джеффри Голдстоун оны түсіндірген және кванттық өріс теориясы контекстінде жүйелі түрде жалпылаған. Конденсирленген зат физикасында мұндай бозондар квазибөлшектер болып табылады және Андерсон–Боголюбов режимдері деп аталады. Бұл спинсіз бозондар спонтанды түрде бұзылған ішкі симметрия генераторларына сәйкес келеді және олардың кванттық нөмірлерімен сипатталады. Олар осы генераторлардың әрекетімен сызықты емес түрде (қозғалыс) түрленеді және осы генераторлармен асимметриялық вакуумнан қоздырылуы мүмкін. Осылайша, оларды бұзылған симметрия бағыттарындағы өрістің қозғалыстары ретінде қарастыруға болады және спонтанды түрде бұзылған симметрия да эксплицитті түрде бұзылмаса, олар массасыз болады. Егер керісінше, симметрия нақты болмаса, яғни ол эксплицитті түрде де, спонтанды түрде де бұзылса, онда Намбу–Голдстоун бозондары массасыз болмайды, бірақ олар әдетте салыстырмалы түрде жеңіл болады; содан кейін олар псевдо Голдстоун бозондары немесе псевдо–Намбу–Голдстоун бозондары (қысқартылған PNGB) деп аталады.

Голдстоун теоремасы

Голдстоун теоремасы спонтанды түрде бұзылатын кез келген үздіксіз симметрияны зерттейді; яғни, оның токтері сақталады, бірақ негізгі күй тиісті зарядтардың әсеріне инвариант емес. Осының салдарынан, мүмкін болатын қоздырулар спектрінде жаңа массасыз (немесе симметрия нақты болмаса, жеңіл) скалярлық бөлшектер пайда болады. Бұзылған симметрияның әрбір генераторы үшін, яғни негізгі күйді сақтамайтын, бір скалярлық бөлшек болады. Намбу-Голдстоун режимі – тиісті реттік параметрдің ұзын толқынды флуктуациясы. Тиісті симметрия бұзылған теорияның вакууммен байланысуының ерекше қасиеттеріне байланысты, өріс теориялық амплитудаларға қатысатын нөлдік импульсті ("жұмсақ") Голдстоун бозондары осы амплитудаларды нөлге теңестіреді ("Адлер нөлдері").

Табиғи

Сұйықтықтарда фонон бойлық болып келеді және ол спонтанды түрде бұзылған Галилей симметриясының Голдстон бозоны болып табылады. Қатты денелерде жағдай күрделірек; Голдстоун бозондары бойлық және көлденең фонондар болып табылады және олар спонтанды түрде бұзылған Галилей, трансляциялық және айналу симметриясының Голдстон бозондары болып табылады, Голдстоун режимдері мен бұзылған симметриялар арасында тікелей және қарапайым сәйкессіздік жоқ. Магниттерде бастапқы айналу симметриясы (сыртқы магнит өрісі болмағанда) спонтанды түрде бұзылады, нәтижесінде магниттелу белгілі бір бағытқа бағытталады. Голдстоун бозондары - бұл магнондар, яғни жергілікті магниттелу бағыты тербелетін спин толқындары. Пиондар - күшті өзара әрекеттесуге байланысты кварк конденсациясының нәтижесінде QCD хиральдық дәм симметриясының спонтанды түрде бұзылуынан туындаған псевдо Голдстон бозондары. Бұл симметриялар кварктардың массасымен де бұзылады, сондықтан пиондар массасыз емес, бірақ олардың массасы әдеттегі адрон массаларынан әлдеқайда кіші. W және Z бозондарының бойлық поляризациялық компоненттері электроәлсіз симметрияның SU(2)⊗U(1) спонтанды түрде бұзылған бөлігінің Голдстоун бозондарына сәйкес келеді, бірақ олар байқауға болмайды. Бұл симметрия өлшенгендіктен, үш Голдстоун бозоны үш бұзылған генераторларға сәйкес келетін үш өлшегіш бозонмен жұтылады; бұл осы үш өлшегіш бозонға масса береді және оған қажетті үшінші поляризациялық еркіндік дәрежесін қосады. Бұл Стандартты модельде Хиггс механизмі арқылы сипатталады. Намбуға бастапқы шабыт берген суперөткізгіштік құбылысына ұқсас нәрсе болады, атап айтқанда, фотон динамикалық массаны дамытады (суперөткіштен магниттік ағынның шығарылуы ретінде көрінеді), қараңыз Гинцбург-Ландау теориясы. Инфляция кезіндегі бастапқы флуктуацияларды де Ситтер ғаламының уақыт бойынша аударма симметриясының спонтанды түрде бұзылуынан туындаған Голдстон бозондары ретінде қарастыруға болады. Инфлатон скалярлы өрісінің бұл флуктуациялары кейіннен ғарыштық құрылымның қалыптасуына ықпал етеді. Риккарди мен Умезава 1967 жылы Намбу-Голдстон бозондары тұрғысынан есте сақтау және қалпына келтірудің ықтимал ми механизмі туралы жалпы теорияны (кванттық ми) ұсынды. Бұл теория 1995 жылы Джузеппе Витиелло тарапынан, мидің "ашық" жүйе екенін (мидің диссипативтік кванттық моделі) ескере отырып, кеңейтілді. Спонтанды симметрияны бұзу және Гольдстоун теоремасының биологиялық жүйелерге қолданылуы туралы Э. Дель Джудиче, С. Доглиа, М. Милани және Г. Витиелло, сондай-ақ Э. Дель Джудиче, Г. Препарата және Г. Витиелло жариялаған. Мари Джибу, Кунио Ясуэ және Джузеппе Витиелло осы нәтижелерге сүйене отырып, санаға тигізетін әсерлерді талқылады.

Инфракөшіктер

Теоремадағы күмәнді тұс бар. Теореманы мұқият оқысақ, ол тек вакуумдық емес күйлердің кез келгендей кішкентай энергияға ие екенін көрсетеді. Мысалы, IR-де конформалды болатын, нөлден өзгеше скварк күту мәніне ие N = 1 хиральды супер QCD моделін қарастырайық. Хиральдық симметрия – (ішінара) спонтанды түрде бұзылған жаһандық симметрия. Осы спонтанды симметрия бұзуымен байланысты "Голдстоун бозондарының" кейбіреулері бұзылмаған өлшегіш топтың астында зарядталған, сондықтан бұл құрама бозондарда кездейсоқ кішкентай массалары бар үздіксіз масса спектрі бар, бірақ дәл нөлдік массасы бар Голдстоун бозоны жоқ. Басқаша айтқанда, Голдстоун бозондары инфрабөлшектер.

Релятивистік емес теориялар

Голдстоун теоремасының нұсқасы релятивистік емес теорияларға да қолданылады. Ол, негізінен, әрбір спонтанды түрде бұзылған симметрия үшін, әдетте бозон болатын және энергиялық тізілімі жоқ квазибөлшекке сәйкес келеді. Конденсирленген затта бұл алтын бозондар аралықсыз режимдер деп те аталады (яғни энергия дисперсиялық қатынасы сияқты және тең), бұл массасыз бөлшектердің релятивистік емес нұсқасы (яғни дисперсиялық қатынасы да болатын фотондар). Ескеріңіз, релятивистік емес конденсирленген зат жағдайында энергия болады, релятивистік жағдайдағы H емес. Дегенмен, екі түрлі спонтанды түрде бұзылған генераторлар енді бір Намбу-Голдстоун бозонын тудыруы мүмкін. Бірінші мысал ретінде, антиферромагнетикте 2 алтын бозоны, ал ферромагнетикте 1 алтын бозоны бар, екі жағдайда да біз SO(3) симметриясын SO(2) симметриясына дейін бұзамыз. Антиферромагнетик үшін дисперсия және негізгі күйдің күтілетін мәні нөлге тең, ал ферромагнетик үшін дисперсия және негізгі күйдің күтілетін мәні нөлден өзгеше, яғни негізгі күй үшін спонтанды түрде бұзылған симметрия бар. Екінші мысал ретінде, суперсұйықтықта U(1) бөлшек санының симметриясы да, Галилей симметриясы да спонтанды түрде бұзылады. Алайда, фонон екеуінің де Голдстоун бозоны болып табылады. Симметрияны бұзуға қатысты, конденсирленген заттағы аралықсыз режимдер мен Хиггс бозоны арасында да тығыз аналогия бар, мысалы, парамагнетик-ферромагнетик фазалық өтуде.

Уақыт-кеңістік симметриясының бұзылуы

Ішкі симметриялардың бұзылуынан өзгеше, Лоренц, конформдық, айналу немесе трансляциялық симметриялар сияқты кеңістік-уақыт симметриялары бұзылғанда, реттік параметр скалярлық өріс болуы міндетті емес, ол тензорлық өріс болуы мүмкін, ал тәуелсіз массасыз модалардың саны өздігінен бұзылған генераторлардың санынан кем болуы мүмкін. Кеністік-уақыт симметриясын өздігінен бұзатын реттік параметрге ие теория үшін, бұзылған генераторлардың саны, азайтылған тривиалды емес тәуелсіз шешімдердің саны – пайда болатын Голдстоун модаларының санына тең. Ішкі симметриялар үшін жоғарыдағы теңдеуде тривиалды емес шешімдер жоқ, сондықтан дәстүрлі Голдстоун теоремасы орындалады. Егер шешімдер болса, бұл Голдстоун модаларының бір-біріне сызықтық тәуелділігінен туындайды, яғни нәтижедегі моданы басқа моданың градиенті ретінде өрнектеуге болады. Шешімдердің кеңістік-уақытқа тәуелділігі бұзылмаған генераторлар бағытында болғандықтан, барлық трансляция генераторлары бұзылғанда тривиалды емес шешімдер болмайды және Голдстоун модаларының саны бұзылған генераторлардың санымен сәйкес келеді. Жалпы алғанда, фонон – бұл өздігінен бұзылған трансляция симметриясы үшін Намбу-Голдстоун бозоны.

НамбуGoldstone фермиондары

Кейбір суперсимметриялық модельдерде кездесетін, спонтанды түрде бұзылған жаһандық фермиондық симметриялар Nambu-Goldstone фермиондарына, яғни голдстиноларға алып келеді. Олардың спині 0 емес, сонымен қатар спонтанды түрде бұзылған тиісті суперсимметрия генераторларының барлық кванттық сандарын өздерімен бірге алып жүреді. Спонтанды суперсимметрияны бұзу супермультиплеттік құрылымдарды бұзылған суперсимметрияның ерекше сызықты емес іске асырылуына ("азайтады"), сондықтан голдстинолар теориядағы кез келген спиндік бөлшектердің суперсеріктері болып табылады және жалғыз суперсеріктері болып табылады. Яғни, егер екі голдстино емес бөлшектер суперсимметрия бұзылғанға дейін байланысқан болса да, олар суперсимметриялық түрлендірулер арқылы бір-біріне емес, тек голдстиноларға ғана байланысады. Осының салдарынан, мұндай бөлшектердің массалары мен спиндік көптігі кез келген болуы мүмкін.