En física, la libertad asintótica es una propiedad de ciertas teorías de campos de calibre, cuando la escala de energía se vuelve arbitrariamente grande, o equivalentemente, la escala de distancia se vuelve arbitrariamente pequeña (es decir, la distancia más cercana), la libertad asintótica hará que la interacción entre partículas arbitrariamente débiles.
La libertad asintótica es una propiedad de la cromodinámica cuántica, que describe la interacción nuclear entre quarks y gluones, que son los componentes básicos de la materia nuclear. A alta energía, la interacción entre quarks es muy débil, por lo que los cálculos de perturbación se pueden realizar mediante la ecuación DGLAP de sección transversal de dispersión no lineal profunda en física de partículas (la ecuación de evolución que describe QCD a baja energía. Se producirá una fuerte interacción para evitar); bariones (compuestos por tres quarks, como protones y neutrones) o mesones (compuestos por dos quarks, como piones), que son partículas compuestas de la materia nuclear.
Los descubridores de la libertad asintótica son Frank Wilczek, David Glaus y Hugh Politzer, quienes ganaron el Premio Nobel de Física en 2004 por este descubrimiento. Introducción básica Nombre chino: Libertad asintótica Nombre extranjero: Libertad asintótica Propuesto por: Frank Wilczek y David Gloss y Hugh Politzer Tiempo propuesto: 1973 Disciplina aplicada: campo cuántico Sobre definición teórica, descubrimiento teórico, propiedades teóricas, cálculos anulados, prohibición y anti- prohibición, definición teórica La teoría de la "libertad asintótica" se refiere a la descripción de una relación de interacción de fuerza entre quarks dentro del protón. Esta teoría sostiene que la fuerza de interacción entre quarks aumenta a medida que aumenta la distancia entre quarks. Es decir, si la distancia entre quarks es muy cercana, la fuerza de interacción entre quarks es muy pequeña y cada quark está casi en "libre". " Por el contrario, afirman que la fuerza de interacción entre quarks es muy grande y la fuerza de interacción entre quarks es proporcional a la distancia entre quarks. Si se utiliza una metáfora para comprender este fenómeno, es como el efecto del cinturón de caucho. Cuanto mayor es la fuerza de tracción hacia afuera del cinturón de caucho, mayor es la "cohesión" dentro del cinturón de caucho. la "cohesión" del cinturón de caucho existe una relación proporcional directa entre ellos. Por supuesto, existe un límite en la cantidad de fuerza que se puede ejercer. Las bandas elásticas se pueden romper y los protones también se pueden romper. Descubrimiento teórico En 1973, Frank Wilczek y David Gloss, junto con Hugh Politzer, descubrieron la libertad asintótica. Aunque estos científicos fueron los primeros en comprender la conexión física entre la libertad asintótica y las interacciones fuertes. Ya en 1969, el físico ruso Iosif Khriplovich descubrió la libertad asintótica de la teoría del campo de calibre SU(2), pero en ese momento sólo se consideró como un interés matemático, mientras que Gerald Hooft también notó este efecto en 1972, pero no lo hizo; publicar su descubrimiento. Por este descubrimiento, Wilczek, Groos y Politzer recibieron el Premio Nobel de Física de 2004. Este descubrimiento podría ser decisivo para revivir la teoría cuántica de campos. Antes de 1973, muchos teóricos sospechaban que la teoría cuántica de campos era fundamentalmente inconsistente porque la intensidad de la interacción a distancias cortas era infinita. Este fenómeno generalmente se denomina singularidad de Landau y define la distancia más pequeña que la teoría puede describir. Este problema se descubrió al estudiar la teoría de campos de la interacción entre escalares y espinores. Por tanto, la electrodinámica cuántica también tiene este problema. Por tanto, la positividad de Lehman hace sospechar a muchos físicos que la singularidad de Landau puede ser inevitable. Las teorías asintóticamente libres se debilitan en distancias cortas, por lo que no existe una singularidad de Landau, por lo que generalmente se acepta que esta teoría cuántica de campos es consistente en cualquier escala de distancia. Aunque el modelo estándar no es completamente asintóticamente libre, de hecho las singularidades de Landau sólo plantean un problema en interacciones fuertes. Debido a que las otras interacciones son demasiado débiles, cualquier contradicción sólo puede surgir en distancias dentro de la longitud de Planck, y de todos modos la teoría cuántica de campos no es competente para describir fenómenos a esta distancia. Propiedades teóricas Prohibición y antiprohibición Para comprender la naturaleza cambiante de una constante de acoplamiento físico a medida que cambia la escala, se puede comenzar con el campo sentido por una partícula virtual con una carga asociada. En la electrodinámica cuántica (QED), el estado de singularidad de Landau es causado por el efecto prohibido de pares de partículas virtuales con carga positiva y negativa en el vacío. Un ejemplo de tal par de partículas es el par electrón-positrón. Alrededor de la carga, el vacío se "polariza": las partículas virtuales de propiedades eléctricas opuestas son atraídas hacia la carga, mientras que las partículas virtuales de la misma propiedad eléctrica son repelidas.
A cualquier distancia finita, el efecto neto de la polarización del vacío es cancelar parte del campo perdido. A medida que se acerca a la carga central, cada vez se ven menos efectos de vacío y aumenta la carga efectiva. En QCD, ocurre el mismo fenómeno para los pares virtuales quark-antiquark: tienden a inhibir las cargas de color. Sin embargo, hay otro problema con la QCD: sus partículas portadoras, los gluones, llevan cargas de color, y de otra manera. Cada gluón tiene una carga de color y un momento magnético de carga anticolor. En el vacío, el efecto neto de los gluones virtuales no suprime el campo sino que lo fortalece y cambia su color. Este fenómeno a veces se denomina "anti-prohibición". A medida que uno se acerca a un quark, el efecto neto anti-prohibido de los gluones virtuales circundantes se vuelve cada vez más débil, por lo que este efecto debilita la carga efectiva a medida que la distancia disminuye. Dado que los quarks virtuales y los gluones virtuales causan efectos opuestos, el efecto que prevalece depende del número de especies de quarks (también llamados sabores). En el QCD estándar de tres colores, siempre que no haya más de 16 tipos de quarks (los antiquarks no se cuentan por separado), entonces la anti-prohibición ganará, por lo que la teoría tiene libertad asintótica en este momento. De hecho, sólo se conocen seis tipos de quarks. Cálculos de retroceso La libertad asintótica se puede derivar calculando la función β, que describe el cambio de las constantes de acoplamiento en la teoría bajo el grupo de renormalización. Cuando la distancia es lo suficientemente corta, o cuando el intercambio de impulso es grande (se observarán efectos a corta distancia, aproximadamente debido a la relación inversa entre el impulso cuántico y la longitud de onda de De Broglie), la teoría de la libertad asintótica se puede utilizar a través del diagrama de Feynman. Calculado por la teoría de la perturbación. Por lo tanto, en teoría, esta situación es más fácil de rastrear, mucho mejor que la situación con largas distancias y fuertes constantes de acoplamiento, que a menudo aparecen en tales teorías y se consideran la causa del confinamiento de los quarks. Entre ellos, α es el equivalente en teoría de la constante de estructura fina, que es g/4π en las unidades utilizadas en física de partículas (c = ? =1). Si esta función es negativa, la teoría es asintóticamente libre. En el caso de SU(3), dado que SU(3) es el grupo calibre de cargas de color QCD, la teoría tiene libertad asintótica cuando el número de tipos de quarks es menor o igual a 16. Prohibido y Anti-prohibido Comprender la naturaleza cambiante de una constante de acoplamiento físico a medida que los cambios de escala pueden comenzar con los campos sentidos por las partículas virtuales con cargas asociadas. En la electrodinámica cuántica (QED), el estado de singularidad de Landau es causado por el efecto prohibido de pares de partículas virtuales con carga positiva y negativa en el vacío. Un ejemplo de este tipo de par de partículas es el par electrón-positrón. Alrededor de la carga, el vacío se "polariza": las partículas virtuales de propiedades eléctricas opuestas son atraídas hacia la carga, mientras que las partículas virtuales de la misma propiedad eléctrica son repelidas. A cualquier distancia finita, el efecto neto de la polarización del vacío es cancelar parte del campo caído. A medida que se acerca a la carga central, cada vez se ven menos efectos de vacío y aumenta la carga efectiva. En QCD, ocurre el mismo fenómeno para los pares virtuales quark-antiquark: tienden a inhibir las cargas de color. Sin embargo, hay otro problema con QCD: sus partículas portadoras, los gluones, llevan cargas de color, y de otra manera. Cada gluón tiene una carga de color y un momento magnético de carga anticolor. En el vacío, el efecto neto de los gluones virtuales no suprime el campo sino que lo fortalece y cambia su color. Este fenómeno a veces se denomina "anti-prohibición". Al acercarse a los quarks, el efecto neto anti-prohibido de los gluones virtuales circundantes se volverá cada vez más débil, por lo que este efecto debilitará la carga de color efectiva a medida que la distancia disminuya. Dado que los quarks virtuales y los gluones virtuales causan efectos opuestos, el efecto que prevalece depende del número de especies de quarks (también llamados sabores). En el QCD estándar de tres colores, siempre que no haya más de 16 tipos de quarks (los antiquarks no se cuentan por separado), entonces la anti-prohibición ganará, por lo que la teoría tiene libertad asintótica en este momento. De hecho, sólo se conocen seis tipos de quarks.