Un esfalerón ( griego : σφαλερός "resbaladizo") es una solución estática (independiente del tiempo) de las ecuaciones de campo electrodébil del modelo estándar de física de partículas , y está involucrado en ciertos procesos hipotéticos que violan los números de bariones y leptones . Estos procesos no pueden representarse mediante métodos perturbativos como los diagramas de Feynman y, por lo tanto, se denominan no perturbativos . Geométricamente, un sphaleron es un punto de silla del potencial electrodébil (en el espacio de campo de dimensión infinita). [1] [2][3] [4]
Composición | Aproximadamente, un compuesto de alta energía de 3 leptones o de 3 bariones |
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Estado | Hipotético |
Masa | ~ 10 TeV |
Este punto de silla descansa en la parte superior de una barrera entre dos equilibrios diferentes de baja energía de un sistema dado; los dos equilibrios están etiquetados con dos números bariónicos diferentes. Uno de los equilibrios podría constar de tres bariones; el otro equilibrio alternativo para el mismo sistema podría consistir en tres antileptones. Para cruzar esta barrera y cambiar el número de bariones, un sistema debe atravesar la barrera mediante un túnel (en cuyo caso la transición es un proceso instanton- like [nota 1] ) o debe, durante un período de tiempo razonable, llevarse hasta un energía lo suficientemente alta como para que clásicamente pueda cruzar la barrera (en cuyo caso el proceso se denomina proceso "sphaleron" y puede modelarse con una partícula de sphaleron del mismo nombre). [6] [7]
Tanto en el caso instanton como en el sphaleron, el proceso solo puede convertir grupos de tres bariones en tres antileptones (o tres antibariones en tres leptones) y viceversa. Esto viola la conservación del número bariónico y el número leptónico , pero la diferencia B - L se conserva. Se cree que la energía mínima requerida para desencadenar el proceso de sphaleron es de alrededor de 10 TeV; sin embargo, los esfalerones no se pueden producir en colisiones existentes del LHC , porque aunque el LHC puede crear colisiones de energía de 10 TeV y más, la energía generada no se puede concentrar de una manera que pudiera crear esfalerones. [8]
Un sphaleron es similar [ ¿cómo? ] al punto medio ( τ = 0) del instante, por lo que no es perturbativo . Esto significa que, en condiciones normales, los esfalerones son inusualmente raros. Sin embargo, habrían sido más comunes a las temperaturas más altas del universo temprano .
Bariogénesis
Dado que un esfalerón puede convertir bariones en antileptones y antibióticos en leptones y, por lo tanto, cambiar el número de bariones, si la densidad de los esfalerones fuera en algún momento lo suficientemente alta, podrían eliminar cualquier exceso neto de bariones o anti-bariones. Esto tiene dos implicaciones importantes en cualquier teoría de la bariogénesis dentro del Modelo Estándar : [9] [10]
- Cualquier exceso neto de bariones que surja antes de la ruptura de la simetría electrodébil sería eliminado debido a la abundancia de esfalerones causados por las altas temperaturas existentes en el universo temprano.
- Si bien se puede crear un exceso neto de bariones durante la ruptura de la simetría electrodébil, solo se puede conservar si esta transición de fase fue de primer orden . Esto se debe a que en una transición de fase de segundo orden, los esfalerones eliminarían cualquier asimetría de bariones a medida que se crea, mientras que en una transición de fase de primer orden, los esfalerones eliminarían la asimetría de bariones solo en la fase ininterrumpida.
En ausencia de procesos que violen B - L es posible proteger una asimetría bariónica inicial si tiene una proyección distinta de cero sobre B - L.En este caso, los procesos esfalerónicos impondrían un equilibrio que distribuye la asimetría B inicial entre ambos números B y L. [11] En algunas teorías de la bariogénesis, un desequilibrio en el número de leptones y antileptones se forma primero por transiciones de leptogénesis y esfalerón y luego lo convierte en un desequilibrio en el número de bariones y antibariones.
Detalles
Para una teoría de gauge SU (2) , descuidando, tenemos las siguientes ecuaciones para el campo del indicador y el campo de Higgs en el indicador [12]
dónde , , los simbolos representan los generadores de SU (2) , es la constante de acoplamiento electrodébil, y es el valor absoluto de VEV de Higgs . Las funciones y , que deben determinarse numéricamente, van de 0 a 1 en valor como argumento, , va de 0 a .
Para un sphaleron en el fondo de una fase no rota, el campo de Higgs obviamente debe caer eventualmente a cero como va al infinito.
Tenga en cuenta que en el límite , el sector de calibre se acerca a una de las transformaciones de calibre puro , que es lo mismo que la transformación de calibre puro a la que se aproxima el instanton BPST como a , estableciendo así la conexión entre el sphaleron y el instanton.
La violación del número bariónico es causada por el "enrollamiento" de los campos de un equilibrio a otro. Cada vez que los campos de calibre débil se enrollan, el recuento de cada una de las familias de quarks y de cada una de las familias de leptones aumenta (o disminuye, según la dirección del devanado) en uno; como hay tres familias de quarks, el número de bariones solo puede cambiar en múltiplos de tres. [13] La violación del número bariónico se puede visualizar alternativamente en términos de una especie de mar de Dirac : en el curso del devanado, un barión que originalmente se consideraba parte del vacío ahora se considera un barión real, o viceversa, y todos los otros bariones apilados dentro del mar se desplazan en consecuencia un nivel de energía. [14]
Liberación de energía
Según el físico Max Tegmark , la eficiencia energética teórica de la conversión de bariones en antileptones sería órdenes de magnitud mayor que la eficiencia energética de la tecnología de generación de energía existente, como la fusión nuclear. Tegmark especula que una civilización extremadamente avanzada podría usar un "esfalerizador" para generar energía a partir de materia bariónica ordinaria. [15]
Ver también
- Anomalía quiral
- Instanton
- Vacío theta
Referencias y notas
- Notas
- ↑ No existe un verdadero instante en la teoría electrodébil; en cambio, la tasa de tunelización está determinada por instancias restringidas. [5]
- Citas
- ^ "[2003.09625] Sphaleron en la transición de fase electrodébil de primer orden con el operador de Higgs de dimensión seis" .
- ^ "[1910.04761] Sobre la fenomenología de los procesos inducidos por sphaleron en el LHC y más allá" .
- ^ "[1910.00234] Sondando el Sphaleron electrodébil con ondas gravitacionales" .
- ^ "[2005.03125] El Sphaleron electrodébil en un campo magnético fuerte" .
- ^ Rubakov, Valery A .; Shaposhnikov, Mikhail E. (1996). "No conservación del número bariónico electrodébil en el universo temprano y en colisiones de alta energía". Física-Uspekhi . 32 (5). arXiv : hep-ph / 9603208 . doi : 10.1070 / PU1996v039n05ABEH000145 .
- ^ Blanco, Graham Albert (2016). "Sección 3.5: El sphaleron". Una introducción pedagógica a la bariogénesis electrodébil . Editores Morgan & Claypool. ISBN 9781681744582.
- ^ Klinkhamer, FR; Manton, NS (1984). "Una solución de punto de silla en la teoría de Weinberg-Salam". Physical Review D . 30 (10): 2212–2220. Código Bibliográfico : 1984PhRvD..30.2212K . doi : 10.1103 / PhysRevD.30.2212 .
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- ^ Shaposhnikov, ME; Farrar, GR (1993). "Asimetría bariónica del universo en el modelo estándar mínimo". Cartas de revisión física . 70 (19): 2833–2836. arXiv : hep-ph / 9305274 . Código Bibliográfico : 1993PhRvL..70.2833F . doi : 10.1103 / PhysRevLett.70.2833 . PMID 10053665 .
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