Quebra espontânea de simetrias em eletrodinâmica quântica

Abstract

Estuda-se a Eletrodinâmica Quântica realçando suas propriedades como uma teoria de operadores campo no espaço-tempo, em lugar de considerá-la apenas como uma teoria para as funções de Green como se faz usualmente. O objetivo desta análise consiste em adquirir maior discernimento em relação a propriedades que possam vir a ser úteis para outras teorias de campo. A teoria formulada neste sentido contém várias simetrias que são quebradas espontaneamente como resultado do processo de renormalização. O problema geral de quebras espontânea de simetrias é analisado e uma hierarquia de possíveis simetrias é definida, a qual se entende desde uma invariância puramente matemática até uma invariância fisicamente exata. Esta hierarquia contém um tipo de quebra espontânea de simetria (chamada “Local”), além da usual, que possui propriedades adequadas para a descrição das partículas elementares. A corrente relacionada a este tipo de quebra não é conservada e, portanto, o teorema de Goldstone não é aplicável. São dados dois modelos, um sendo solúvel exatamente e o outro sendo essencialmente a Eletrodinâmica Quântica, que são exemplos de quebras espontâneas de simetrias com correntes não conservadas. A conexão entre a quebra local de simetria e a renormalização é esclarecida. A renormalização é considerada como o processo de limite necessário para as definições da diferenciação e dos produtos de operadores campos num ponto, que são combinado de forma invariante para a transformação de calibre. Isto conduz, de um modo natural, à definição das constantes de renormalização. As consequências desta nova formulação par a teoria de perturbação na Eletrodinâmica Quântica são estudadas e mostra-se que surgem identidades generalizadas de Ward através das quais são eliminadas divergências quadrática e logarítmica.

Quantum Electrodynamics is studied emphasizing its properties as a theory of operator field in space-time, instead of considering it only as a theory for the Green’s functions as is the more usual approach. The purpose of this analysis is to gain more insight into general properties which could be useful for other field theories. The theory as formulated contains several symmetries which are spontaneously broken as a result of the renormalization procedure. The problem of spontaneously broken symmetries is defined, which reaches form a purely mathematical invariance up to the physically exact one. This hierarchy contains one type of spontaneously broken symmetry (called “local”), in addition to the usual one, which has suitable properties for the description of elementary particles. The current related to this type of breaking is not conserved and therefore the Golstone theorem is not applicable. Two models are given, one being exactly solvable and the other essentially being Quantum Electrodynamics, which are examples of spontaneously broken symmetries with non-conserved currents. The connection between local symmetry breaking and renormalization is alucinated. The renormalization is considered as the limiting procedure necessary for the definitions of the differentiation and the products of field operators at one point, which are combined in a gauge invariant way. This leads in a natural way to the definition of renormalization constants. The consequences of this new formulation for the perturbation theory in Quantum Electrodynamics are studied an it is shown that generalized Ward identities arise by which quadratic and logarithmic divergences are eliminated.