การเร่งปฏิกิริยาด้วยแม่เหล็ก

การเร่งปฏิกิริยาด้วยสนามแม่เหล็กเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ ซึ่งนิยามว่าเป็นการเพิ่มขึ้นของการแตกสมมาตรแบบไดนามิกโดยสนามแม่เหล็ก ภายนอก ในทฤษฎีสนามควอนตัมที่ใช้ในการอธิบายอนุภาคควอนตัม (หรือ อนุภาคเสมือนค วอนตัม) ในฟิสิกส์อนุภาคฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์สสารควบแน่นปรากฏการณ์พื้นฐานเป็นผลมาจากแนวโน้มที่รุนแรงของสนามแม่เหล็กในการเพิ่มการยึดเหนี่ยวของอนุภาคที่มีประจุตรงข้ามกันให้กลายเป็นสถานะผูกพัน ผล การเร่งปฏิกิริยามาจากการจำกัดบางส่วน (การลดมิติ) ของการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก โดยทั่วไป การเร่งปฏิกิริยาด้วยสนามแม่เหล็กมักเกี่ยวข้องกับการแตกสมมาตรของรสชาติหรือสมมาตรไครัลในทฤษฎีสนามควอนตัม ซึ่งได้รับการเสริมหรือกระตุ้นโดยการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กภายนอก

กลไกพื้นฐานเบื้องหลังการเร่งปฏิกิริยาด้วยแม่เหล็ก^{[ 1 ]} คือการลดมิติของ อนุภาคสปิน 1/2ที่มีพลังงานต่ำ และมีประจุ ^{[ 2 ]}ผลจากการลดมิติดังกล่าว ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นอย่างมากของการจับคู่ระหว่างอนุภาคและปฏิอนุภาคซึ่งรับผิดชอบต่อการทำลายสมมาตร สำหรับทฤษฎีเกจในมิติปริภูมิเวลา 3+1 เช่นควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์และควอนตัมโครโมไดนามิกส์การลดมิตินำไปสู่พลวัตพลังงานต่ำที่มีประสิทธิภาพในมิติ (1+1) (ในที่นี้ มิติของปริภูมิเวลาเขียนเป็น D+1 สำหรับทิศทางเชิงพื้นที่ D) กล่าวโดยง่าย การลดมิติสะท้อนให้เห็นถึงข้อเท็จจริงที่ว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุถูกจำกัด (บางส่วน) ในสองทิศทางคล้ายอวกาศที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของการเคลื่อนที่ในวงโคจรเพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอ (ตัวอย่างเช่น ไม่มีการลดมิติสำหรับอนุภาคสเกลาร์ที่มีประจุและมีสปิน 0 แม้ว่าการเคลื่อนที่ในวงโคจรของพวกมันจะถูกจำกัดในลักษณะเดียวกันก็ตาม) สิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งคือเฟอร์มิออนมีสปิน 1/2 และตามทฤษฎีบทดัชนีของ Atiyah–Singer สถานะ ระดับแลนเดาต่ำสุดของพวกมันมีพลังงานที่ไม่ขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็ก (พลังงานที่สอดคล้องกันจะหายไปในกรณีของอนุภาคไร้มวล) ซึ่งแตกต่างจากพลังงานในระดับแลนเดาที่สูงกว่า ซึ่งเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของสนามแม่เหล็ก ดังนั้น หากสนามมีความแรงเพียงพอ เฉพาะสถานะระดับแลนเดาต่ำสุดเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงได้ทางพลวัตที่พลังงานต่ำ สถานะในระดับแลนเดาที่สูงกว่าจะแยกตัวออกและแทบจะไม่มีความสำคัญ ปรากฏการณ์การเร่งปฏิกิริยาด้วยแม่เหล็กมีการประยุกต์ใช้ในฟิสิกส์อนุภาค ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และฟิสิกส์สสารควบแน่น

ในทฤษฎีควอนตัมโครโมไดนามิกส์ การเร่งปฏิกิริยาด้วยแม่เหล็กสามารถนำไปใช้ได้เมื่อสสารควาร์กอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กที่แรงมาก^{[ 3 ]}สนามแม่เหล็กที่แรงเช่นนี้สามารถนำไปสู่ผลกระทบของการแตกสมมาตรไครัล ที่เด่นชัดยิ่งขึ้น เช่น นำไปสู่ ​​(i) ค่าของคอนเดนเซตไครัลที่มากขึ้น (ii) มวลไดนามิก (องค์ประกอบ) ของควาร์ก ที่มากขึ้น (iii) มวลของ แบริออนที่มากขึ้น(iv) ค่าคงที่การสลายตัว ของไพอน ที่เปลี่ยนแปลงไป เป็นต้น เมื่อเร็วๆ นี้ มีกิจกรรมเพิ่มขึ้นในการตรวจสอบผลกระทบของการเร่งปฏิกิริยาด้วยแม่เหล็กในขีดจำกัดของจำนวนสีจำนวนมาก โดยใช้เทคนิคการสอดคล้อง AdS/CFT ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

แนวคิดเรื่องการเร่งปฏิกิริยาด้วยแม่เหล็กสามารถนำมาใช้อธิบายการสังเกตพบช่วงควอนตัมฮอลล์ใหม่ในกราฟีนในสนามแม่เหล็กแรงสูง ซึ่งเกินกว่าลำดับความผิดปกติมาตรฐานที่ค่าแฟคเตอร์การเติม ν=4(n+½) โดยที่ n เป็นจำนวนเต็ม ช่วงควอนตัมฮอลล์เพิ่มเติมเหล่านี้เกิดขึ้นที่ ν=0, ν=±1, ν=±3 และ ν=±4

กลไกการเร่งปฏิกิริยาแม่เหล็กในระบบระนาบคล้ายสัมพัทธภาพ เช่น กราฟีน เป็นสิ่งที่เป็นธรรมชาติมาก อันที่จริง เดิมทีมีการเสนอสำหรับแบบจำลอง 2+1 มิติ ซึ่งเกือบจะเหมือนกับทฤษฎีประสิทธิผลพลังงานต่ำของกราฟีนที่เขียนในรูปของเฟอร์มิออนดิแรกไร้มวล^{[ 7 ]} เมื่อนำไปใช้กับกราไฟต์ชั้นเดียว (เช่น กราฟีน) การเร่งปฏิกิริยาแม่เหล็กจะกระตุ้นการแตกสลายของสมมาตรภายในโดยประมาณ และด้วยเหตุนี้จึงยกเลิกความเสื่อม 4 เท่าของระดับแลนเดา^{[ 8 ] [ 9 ]} สามารถแสดงให้เห็นว่าเกิดขึ้นได้สำหรับเฟอร์มิออนไร้มวลสัมพัทธภาพที่มีปฏิสัมพันธ์แบบผลักกันที่อ่อนแอ^{[ 10 ]}