Ruptura espontánea de la simetría
En física la ruptura espontánea de la simetría ocurre cuando un sistema definido por una lagrangiana simétrica respecto a un grupo de simetría cae en un estado vacío que no es simétrico. Cuando eso sucede el sistema no se comporta más de forma simétrica.
El grupo de simetría puede ser discreto como el grupo espacial de un cristal, o continuo como un grupo de Lie como la simetría rotacional del espacio. Sin embargo, si el sistema solo tiene una dimensión espacial entonces solo las simetrías discretas pueden romperse en un estado vacío de la teoría cuántica, aunque también una solución clásica puede romper una simetría continua.
La ruptura de la simetría conlleva la aparición de nuevas partículas (asociados a nuevos términos de masas en el nuevo lagrangiano como los bosones de Nambu-Goldstone o los bosones de Higgs) y la aparición de términos de masas de partículas ya existentes en el lagrangiano.
Un ejemplo común para explicar este fenómeno es el de un balón situado en reposo en la cima de una colina lo cual significa que el balón está en un estado de simetría, sin embargo, este estado es inestable ya que a la menor perturbación el balón rodaría abajo de la colina en una dirección particular alrededor de la cima.
Este mecanismo se aplica al caso de una ruptura de simetría gauge global, como caso particular y sencillo de simetría gauge local. Si la es invariante bajo una cierta simetría pero el estado del vacío , no entonces se dice que el sistema tiene una "simetría en modo Goldstone" y conlleva la existencia de campos extras.
Se puede demostrar que si partículas sin masa (bosones de Nambu-Goldstone).
Un campo roto espontáneamente se describe mediante una teoría de campo escalar. En física, podemos ver la ruptura de simetría a través del Lagrangiano
y es en el término potencial (V(φ)) donde la acción de la ruptura de simetría ocurre. Un ejemplo de un potencial se muestra en la gráfica de la derecha.
Este potencial tiene varios estados vacíos mínimos posibles dados por
para alguna θ real entre 0 2π. El sistema también tiene un estado vacío inestable correspondiente a Φ = 0. Este estado simetría U(1). Sin embargo, en cuanto el sistema cae en un estado vacío estable específico (correspondiente a la elección de θ) esta simetría se perderá o romperá espontáneamente.
En el modelo estándar, la ruptura espontánea de simetría se complementa por el uso del bosón de Higgs, que es responsable de las masas de los bosones W y Z. Todo esto puede verse de forma más técnica en la interacción de Yukawa, donde se muestra cómo obtienen masa los fermiones mediante la ruptura de simetría. Este mecanismo se aplica al caso de una ruptura de simetría gauge local.
Generalmente, podemos tener ruptura espontánea de simetría en situaciones donde no hay estados vacíos y para sistemas que no están descritos por una acción (integral en el tiempo del Lagrangiano). El concepto crucial aquí es el orden del parámetro. Si existe un campo que adquiere un valor de expectación (no necesariamente en el vacío) el cual no es invariante bajo la simetría en cuestión, decimos que el sistema está en una fase ordenada y la simetría se rompe espontáneamente. Esto se debe a que otros subsistemas interactúan con un parámetro de orden el cual forma un marco de referencia contra el cual se puede medir.
Si un estado vacío obedece la simetría inicial entonces se dice que el sistema está en un modo de Wigner, de otra forma se encuentra en un modo de Goldstone.
El 7 de octubre de 2008, la Real Academia Sueca de Ciencias concedió el Premio Nobel de Física a dos japoneses y a un norteamericano por su trabajo en física de partículas. Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa compartieron con Yoichiro Nambu el premio por descubrir el origen de la ruptura de la simetría y su mecanismo.