[論文レビュー] Superfluid Helium 3: Link between Condensed Matter Physics and Particle Physics

D. Vollhardt, Peter Woelfle|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2000

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、超流動ヘリウム-3を、強縮性物性物理学および高エネルギー素粒子物理学の基本的概念を検証するための実験的実験施設としてのマクロな量子系として確立する。特に、対称性の破れとトポロジカルな欠損を示すB相を対象とすることで、著者らは超流動3Heが素粒子物理学における現象（例えば、手前の異常、有効ゲージ場および重力場、宇宙ひも形成）の実現可能なアナログを提供することを示している。これにより、初期宇宙および量子場の理論に関する新たな知見が得られる。

ABSTRACT

The discovery of the superfluid phases of Helium 3 in 1971 opened the door to one of the most fascinating systems known in condensed matter physics. Superfluidity of Helium 3, originating from pair condensation of Helium 3 atoms, turned out to be the ideal testground for many fundamental concepts of modern physics, such as macroscopic quantum phenomena, (gauge-)symmetries and their spontaneous breakdown, topological defects, etc. Thereby the superfluid phases of Helium 3 enriched condensed matter physics enormously. In particular, they contributed significantly - and continue to do so - to our understanding of various other physical systems, from heavy fermion and high-Tc superconductors all the way to neutron stars, particle physics, gravity and the early universe. A simple introduction into the basic concepts and questions is presented.

研究の動機と目的

• 超流動3Heを強縮性物性を超えた基礎物理学の実験的実験施設として確立し、高エネルギー現象と結びつけること。
• 3Heの超流動相における自発的対称性の破れとトポロジカル欠損が、量子場の理論および宇宙論における現象をどのように模倣するかを調査すること。
• 非相対論的量子流体において相対論的およびゲージ類似の振る舞いがどのように出現するかを調査すること。
• 実験的観測が素粒子物理学および初期宇宙宇宙論における未解決問題に新たな知見をもたらすことを示すこと。
• B相がパリティ破れによって永久電気双極子モーメントを有することを示し、弱い相互作用の測定に潜在的なプローブを提供すること。

提案手法

• フェルミ液体におけるBCS対称性の形成を分析し、3Heにおけるクーパー対の形成を記述すること。
• ゴルコフ＝ナムブ形式を用いて、p波対称性およびスピン三重項対称性を持つ超流動秩序パラメータを記述すること。
• ギンツブルグ＝ランダウ理論を用いて、異なる超流動相における相転移および秩序パラメータの構造を記述すること。
• A相およびB相における集団モードおよびトポロジカル欠損（例えば、渦、ドメイン壁）の有効場理論をモデル化すること。
• 3He-Aにおけるギャップなしフェルミ点と高エネルギー物理学における相対論的手前のフェルミオンとの類似性を考察すること。
• グレーノブおよびヘルシンキの低温実験施設からの実験データを用い、キブルおよびズレルクの急激なクエンチ過程における欠損形成予測を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3Heの超流動相は、非相対論的系においてゲージ対称性およびローレンツ対称性の自発的破れをどのように実現するか？
• RQ2 3Heにおける集団モードおよびトポロジカル欠損は、量子場の理論におけるゲージ場および重力場のアナログとして、どの程度有効か？
• RQ3 3HeのB相は、パリティ破れによって永久電気双極子モーメントを有する可能性があり、これは弱い相互作用の測定にどのような意味を持つのか？
• RQ4 3Heにおける急激なクエンチ過程は、初期宇宙宇宙論で予測された宇宙ひもおよびその他のトポロジカル欠損をどのように再現するか？
• RQ5 3Heの秩序パラメータの構造は、高温超伝導体および中性子星の核における理解にどのような知見をもたらすか？

主な発見

• 3Heの超流動B相は、パリティ破れによる弱い相互作用のおかげで永久電気双極子モーメントを示し、実験的に測定可能である可能性がある。
• 3He-A相は点状のノード（フェルミ点）を有しており、これにより手前の準粒子が支持され、量子場の理論における相対論的フェルミオンと類似している。
• 3Heにおけるトポロジカル欠損（例えば、渦、ドメイン壁）は安定的であり、実験的に観測可能であり、キブルおよびズレルクの急激な相転移における欠損形成予測を検証している。
• クエンチ過程における渦の密度は、実験的にズレルクの理論的推定と一致しており、欠損形成の宇宙論的モデルを支持している。
• 3He秩序パラメータの有効場理論は、高エネルギー物理学の主要な特徴（例えば、軸異常、発現的ゲージ場および重力場）を再現している。
• 本系は、バリオジェネシスおよびモーメントジェネシスを研究する実験的施設を提供しており、最近の3He-Aの実験は物質-反物質非対称性の宇宙論的モデルを支持している。