线性σ模型

探索自发对称性破缺、Goldstone定理与希格斯机制

对称性状态 O(n) 对称
真空期望值 v 0.0
希格斯质量 m_σ 1.0
Goldstone玻色子 0

模型参数

可视化选项

对称性相

当前公式

V(Φ) = (λ/4)(Φ² - v²)²

墨西哥帽势能

当 v > 0 时,势能形成"墨西哥帽"形状。系统在圆周上的任意点都是基态,这种连续简并导致 Goldstone 玻色子的出现。

场构型空间

场 Φ 在 n 维内禀空间中取值。O(n) 对称性保证势能只依赖于 |Φ|² = ΦᵀΦ。真空期望值 ⟨Φ⟩ 指明了自发破缺的方向。

粒子质量谱

什么是线性σ模型?

线性σ模型是理解自发对称性破缺和希格斯机制的最简单玩具模型。它由 n 个实标量场组成,具有 O(n) 全局对称性。通过调节参数,可以从对称相过渡到破缺相,在此过程中观察到 Goldstone 玻色子的产生和希格斯模的质量生成。

关键概念

O(n) 对称性

n 维实标量场在正交变换下不变。O(n) 群有 n(n-1)/2 个生成元,对应 n(n-1)/2 个守恒荷。

自发对称性破缺

当 v ≠ 0 时,真空态不保持原始对称性。系统选择了一个特定的真空方向,导致 O(n) → O(n-1) 的破缺。

Goldstone定理

每个被破缺的连续对称性产生一个无质量的 Goldstone 玻色子。共有 n-1 个 Goldstone 模式在真空流形上振荡。

希格斯模

沿径向的 σ 场获得质量 m_σ = √(2λ)v,这是系统的唯一有质量激发,对应希格斯粒子。

拉格朗日量

$$\mathcal{L} = \frac{1}{2}(\partial_\mu\Phi)^T(\partial^\mu\Phi) - \frac{\lambda}{4}(\Phi^T\Phi - v^2)^2$$

动能项:1/2(∂_μΦ)^T(∂^μΦ) 描述 n 个无耦合实标量场的动力学

势能项:V(Φ) = λ/4(Φ^TΦ - v²)² 具有 O(n) 对称性,当 v > 0 时形成墨西哥帽形状

对称性破缺机制

O(n)
对称相 (v = 0)
  • n 个质量为 m = √(λ)v 的简并场
  • 真空在原点,唯一且对称
  • O(n) 对称性完全保持
O(n-1)
破缺相 (v > 0)
  • 1 个有质量希格斯场 m_σ = √(2λ)v
  • n-1 个无质量 Goldstone 玻色子
  • 真空在 |Φ| = v 的圆/球面上

场分解

在破缺相,将场分解为径向的希格斯模和横向的 Goldstone 模式:

$$\Phi = \begin{pmatrix} \pi_1 \\ \pi_2 \\ \vdots \\ \pi_{n-1} \\ v + \sigma \end{pmatrix}$$

σ 场 (希格斯模)

沿径向振荡,恢复平衡半径,质量 m_σ = √(2λ)v

π 场 (Goldstone模)

在真空流形上切向振荡,无恢复力,m_π = 0

与规范场的耦合

当线性σ模型与规范场耦合时,Goldstone 玻色子成为规范玻色子的纵向极化,这就是 Higgs 机制:

$$\mathcal{L}_{\text{gauge}} = \frac{1}{2}(D_\mu\Phi)^T(D^\mu\Phi) - V(\Phi) - \frac{1}{4}F_{\mu\nu}^a F^{\mu\nu}_a$$

其中 D_μ = ∂_μ + g A_μ^a T^a 是协变导数。在幺正规范下,π 场被"吃掉",A_μ^a 获得质量 m_A = gv。

历史与应用

1960
南部阳一郎提出自发对称性破缺概念,解释π介子的近似无质量性
1961
Goldstone定理:连续对称性的自发破缺必然产生无质量玻色子
1964
Higgs、Englert/Brout、Guralnik/Hagen/Kibble独立提出Higgs机制
1967-68
Weinberg-Salam模型:将Higgs机制应用于弱电统一理论
2012
LHC发现希格斯玻色子,证实标准模型的Higgs机制

物理应用

  • 粒子物理:标准模型的希格斯 sector,解释W/Z玻色子和费米子质量的来源
  • 凝聚态物理:超流、超导的Ginzburg-Landau理论,铁磁相变
  • 宇宙学:宇宙早期的对称性破缺相变,可能产生宇宙学缺陷(畴壁、宇宙弦)
  • 核物理:手征微扰论中的π介子作为近似Goldstone玻色子