Corriente axial

En física de partículas , la corriente axial , también denominada corriente pseudovectorial o quiral , es la corriente conservada asociada a la simetría quiral o axial de un sistema.

Según el teorema de Noether , cada simetría de un sistema está asociada a una cantidad conservada. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Por ejemplo, la invariancia rotacional de un sistema implica la conservación de su momento angular , o la invariancia espaciotemporal implica la conservación de la energía-momento. En la teoría cuántica de campos , las simetrías internas también dan lugar a cantidades conservadas. Por ejemplo, la invariancia de gauge U(1) de la QED implica la conservación de la carga eléctrica . Del mismo modo, si una teoría posee una simetría quiral o axial interna, habrá una cantidad conservada, que se denomina carga axial . Además, así como el movimiento de una partícula cargada eléctricamente produce una corriente eléctrica , una carga axial en movimiento constituye una corriente axial.

La corriente axial resultante del movimiento de una partícula móvil cargada axialmente se define formalmente como ${\displaystyle j_{5}^{\mu }={\overline {\psi }}\gamma ^{5}\gamma ^{\mu }\psi }$, dónde ${\displaystyle \psi }$es el campo de partículas representado por el espinor de Dirac (ya que la partícula es típicamente un fermión de espín -1/2 ) y${\displaystyle \gamma ^{5}}$y${\displaystyle \gamma ^{\mu }}$son las matrices gamma de Dirac . ^{[ 3 ]}

A modo de comparación, la corriente electromagnética producida por una partícula en movimiento con carga eléctrica es ${\displaystyle j^{\mu }={\overline {\psi }}\gamma ^{\mu }\psi }$.

Como se explicó anteriormente, la corriente axial es simplemente el equivalente de la corriente electromagnética para la simetría axial en lugar de la simetría U(1). Otra perspectiva se obtiene al recordar que la simetría quiral es la invariancia de la teoría bajo la rotación del campo.${\displaystyle \psi _{\rm {L}}\rightarrow e^{i\theta _{\rm {L}}}\psi _{\rm {L}}}$  y  ${\displaystyle \psi _{\rm {R}}\rightarrow \psi _{\rm {R}}}$(o alternativamente${\displaystyle \psi _{\rm {L}}\rightarrow \psi _{\rm {L}}}$  y  ${\displaystyle \psi _{\rm {R}}\rightarrow e^{i\theta _{\rm {R}}}\psi _{\rm {R}}}$), dónde${\displaystyle \psi _{\rm {L}}}$denota un campo para zurdos y${\displaystyle \psi _{\rm {R}}}$uno diestro. Por esto, así como por el hecho de que${\displaystyle \psi =\psi _{\rm {L}}+\psi _{\rm {R}}}$y la definición de${\displaystyle j_{5}^{\mu }}$Como se observa más arriba, la corriente axial es la diferencia entre la corriente debida a los fermiones levógiros y la debida a los dextrógiros, mientras que la corriente electromagnética es la suma.

La simetría quiral se exhibe en teorías de gauge vectoriales con fermiones sin masa. Dado que no se conoce ningún fermión sin masa en la naturaleza, la simetría quiral es, en el mejor de los casos, una simetría aproximada en las teorías fundamentales, y la corriente axial no se conserva. (Nota: esta ruptura explícita de la simetría quiral por masas no nulas no debe confundirse con la ruptura espontánea de la simetría quiral que desempeña un papel dominante en la física hadrónica ). Una consecuencia importante de dicha no conservación es la desintegración del pión neutro y la anomalía quiral , ^{[ 4 ]} que está directamente relacionada con la anchura de desintegración del pión . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

La corriente axial es una parte importante del formalismo que describe las reacciones de dispersión de alta energía . En este tipo de reacción, dos partículas se dispersan entre sí mediante el intercambio de un bosón de fuerza , por ejemplo, un fotón por dispersión electromagnética (véase la figura).

La sección transversal para dicha reacción es proporcional al cuadrado de la amplitud de dispersión , que a su vez viene dada por el producto del propagador del bosón por las dos corrientes asociadas a los movimientos de las dos partículas que colisionan. ^{[ 7 ]} Por lo tanto, las corrientes (axiales o electromagnéticas) son uno de los dos ingredientes esenciales necesarios para calcular la dispersión de alta energía , siendo el otro el propagador del bosón .

En la dispersión electrón-nucleón (o, más generalmente, en la dispersión leptón cargado - hadrón / núcleo ), la corriente axial produce la parte de la sección eficaz dependiente del espín . ^{[ 8 ]} (La parte de la sección eficaz promediada en el espín proviene de la corriente electromagnética. ^{[ 7 ]} )

En la dispersión neutrino -nucleón, los neutrinos se acoplan solo a través de la corriente axial, accediendo así a información de la estructura del nucleón diferente a la que se obtiene con los leptones cargados. ^{[ 9 ]}

Los piones neutros también se acoplan únicamente a través de la corriente axial, ya que son partículas pseudoescalares y, para producir amplitudes (cantidades escalares), un pión debe acoplarse a otro objeto pseudoescalar como la corriente axial. (Los piones cargados también pueden acoplarse a través de la corriente electromagnética).