Введение
Свойство калибровочных теорий в физике частиц. В квантовой теории поля асимптотическая свобода — это свойство некоторых калибровочных теорий, при котором взаимодействия между частицами асимптотически ослабевают при увеличении энергетического масштаба и уменьшении соответствующего масштаба длины. (В качестве альтернативы, и, возможно, наоборот, при использовании S-матрицы, асимптотическая свобода относится к состояниям свободных частиц в далёком прошлом или далёком будущем.) Асимптотическая свобода является характеристикой квантовой хромодинамики (КХД), квантовой теории поля сильного взаимодействия между кварками и глюонами, фундаментальными составляющими ядерного вещества. Кварки слабо взаимодействуют при высоких энергиях, что позволяет проводить возмущающие вычисления. При низких энергиях взаимодействие становится сильным, приводя к конфайнменту кварков и глюонов внутри составных адронов. Асимптотическая свобода КХД была открыта в 1973 году Дэвидом Гроссом и Фрэнком Вильчеком, а также независимо Дэвидом Полицером в том же году. За эту работу все трое были удостоены Нобелевской премии по физике в 2004 году.
In quantum field theory, asymptotic freedom is a property of some gauge theories that causes interactions between particles to become asymptotically weaker as the energy scale increases and the corresponding length scale decreases. (Alternatively, and perhaps contrarily, in applying an S matrix, asymptotically free refers to free particles states in the distant past or the distant future.) Asymptotic freedom is a feature of quantum chromodynamics (QCD), the quantum field theory of the strong interaction between quarks and gluons, the fundamental constituents of nuclear matter. Quarks interact weakly at high energies, allowing perturbative calculations. At low energies, the interaction becomes strong, leading to the confinement of quarks and gluons within composite hadrons. The asymptotic freedom of QCD was discovered in 1973 by David Gross and Frank Wilczek,
and independently by David Politzer in the same year. For this work all three shared the 2004 Nobel Prize in Physics.
Открытие
Асимптотическая свобода в КХД была открыта в 1973 году Дэвидом Гроссом и Фрэнком Вильчеком, а теория Янга — Милля — Иосифом Хрипловичем в 1969 году и Жераром 'т Хоофтом в 1972 году, однако её физическая значимость не была осознана до работ Гросса, Вильчека и Полицера, которые были отмечены Нобелевской премией по физике в 2004 году. Это открытие сыграло ключевую роль в «восстановлении репутации» квантовой теории поля. Асимптотически свободные теории ослабевают на малых расстояниях, полюса Ландау в них нет, и считается, что эти квантовые теории поля полностью самосогласованы на любом масштабе длин. Электрослабая теория в рамках Стандартной модели асимптотически свободной не является. Следовательно, в Стандартной модели существует полюс Ландау. Наличие полюса Ландау создает проблему при рассмотрении бозона Хиггса. Квантовая тривиальность может быть использована для ограничения или предсказания параметров, таких как масса бозона Хиггса. Это приводит к предсказуемой массе Хиггса в сценариях асимптотической безопасности. В других сценариях взаимодействия слабы, поэтому любые противоречия возникают на расстояниях, меньших длины Планка.
Скрининг и антискриннинг
Изменение физической константы связи при изменении масштаба можно качественно понять как результат действия поля на виртуальные частицы, переносящие соответствующий заряд. Поведение полюса Ландау в КЭД (связанное с квантовой тривиальностью) является следствием экранирования виртуальными парами заряженных частиц и античастиц, такими как пары электрон-позитрон, в вакууме. Вблизи заряда вакуум поляризуется: виртуальные частицы с противоположным зарядом притягиваются к заряду, а виртуальные частицы с одинаковым зарядом отталкиваются. Результирующий эффект заключается в частичной компенсации поля на любом конечном расстоянии. При приближении к центральному заряду эффект вакуума становится все менее заметным, и эффективный заряд возрастает. В КХД происходит то же самое с виртуальными кварк-антикварковыми парами; они стремятся экранировать цветовой заряд. Однако в КХД есть дополнительная особенность: его частицы-переносчики силы, глюоны, сами несут цветовой заряд, но иным образом. Каждый глюон несет как цветовой заряд, так и антицветовой магнитный момент. Результирующий эффект поляризации виртуальных глюонов в вакууме заключается не в экранировании поля, а в его усилении и изменении цвета. Это иногда называют антиэкранированием. При приближении к кварку эффект антиэкранирования окружающих виртуальных глюонов уменьшается, поэтому вклад этого эффекта будет заключаться в ослаблении эффективного заряда с уменьшением расстояния. Поскольку виртуальные кварки и виртуальные глюоны вносят противоположные эффекты, то какой эффект преобладает, зависит от количества различных типов, или ароматов, кварков. Для стандартной КХД с тремя цветами, если число ароматов кварков не превышает 16 (не считая антикварки отдельно), антиэкранирование преобладает, и теория является асимптотически свободной. На самом деле, известно только 6 ароматов кварков.