Framväxten av ett ramverk för partikelfysik Relativistisk Kvantfältteori Jens Fjelstad 2010–03–15 Innehåll • Otillräckligheten hos icke–relativistisk kvantmekanik ◦ elektronens spinn ◦ uteslutningsprincipen ◦ kvantstatistik • Diracekvationen & relativistisk kvantmekanik • Kvantfältteori & kvantelektrodynamik 2 / 22 Zeemaneffekten • Breddning [1896] och uppsplittring [1897] av spektrallinjer i magnetiska fält [Pieter Zeeman] • “Förklarades” i en klassisk modell för ljus [Lorentz, 1896] • Klassisk elektronbana – magnetiskt moment • Senare: (ban–)rörelsemängdsmomentet kvantiserat. ◦ kvanttal: l = 0, 1, 2, . . ., ml = −l, −l + 1, . . . , l − 1, l ◦ energinivåer i magnetiskt fält ∝ ml 3 / 22 Den anomala Zeemaneffekten • Uppplittring i fler linjer än vad Lorentz förutsade [Cornu, 1898] • ∆E ∝ mgB i magnetfält B [Landé 1921] ◦ m: kvanttal j(j + 1) + R(R + 1) − l(l + 1) ~ ~ ~ ◦ g =1+ ,j =l +R 2j(j + 1) ◦ “m, R & j är halvtaliga för alkalimetallerna”, R = 1/2 ◦ man antog R associerad med “inre elektronskal” 4 / 22 Paulis uteslutningsprincip • Wolfgang Pauli visade att R omöjligt kan härröra till inre elektronskal, utan måste vara associerad till en egenskap hos valenselektronen själv; elektronen har en icke–klassiskt beskrivbar tvåvärdhet (zweideutigkeit) [1924] 5 / 22 Paulis uteslutningsprincip • Wolfgang Pauli visade att R omöjligt kan härröra till inre elektronskal, utan måste vara associerad till en egenskap hos valenselektronen själv; elektronen har en icke–klassiskt beskrivbar tvåvärdhet (zweideutigkeit) [1924] • Elektronens nya egenskap beskrivs av ett kvanttal mR = ±1/2 [Goudsmit] • Fullständig uppsättning kvanttal: (n, l, ml , mR ) • Stoners regel [1924]: antalet elektroner i ett fyllt elektronskal är dubbla antalet kvanttal (n, l, ml ) svarande mot fixt n • Pauli postulerar: I en atom kan två eller fler elektroner aldrig befinna sig i tillstånd beskrivna av samma värden (n, l, ml , mR ). Om en elektron har tillståndet (n, l, ml , mR ) så är tillståndet upptaget (ockuperat). 5 / 22 Elektronens Spinn • På Ehrenfests inrådan undervisar doktoranden Samuel Goudsmit 1925 George Uhlenbeck (även han student) om “spektralzoologi”. • Då de diskuterade uteslutningsprincipen och kvanttalet mR insåg Uhlenbeck att det betyder att elektronen har en ~ är elektronens rörelsemängdsmoment “rotationsfrihetsgrad”, R pga spinn kring sin egen axel [1925] • Klassiska bilden ej rättvisande, men elektronen uppför sig som om den kan spinna på två sätt kring sin egen axel. 6 / 22 Kvantstatistik • Heisenberg [1926]: övergångar i ett system av två identiska harmoniska oscillatorer sker mellan tillstånd med samma symmetriegenskap då koordinaterna permuteras ◦ Ψ(x1 , x2 ) = Ψ(x2 , x1 ) symmetrisk ◦ Ψ(x1 , x2 ) = −Ψ(x2 , x1 ) antisymmetrisk • Wigner [1926] attackerade problemet med N identiska partiklar, övergångar sker inom s.k. irreducibla representationer av den symmetriska gruppen SN av permutationer av N element • Uteslutningsprincipen är uppfylld då Ψ(x1 , ms1 ; x2 , ms2 ) = −Ψ(x2 , ms2 ; x1 , ms1 ) ◦ ms : spinnkvanttalet ◦ analogt för N identiska partiklar ◦ sägs uppfylla Fermi–Dirac statistik (modernt: fermioner) • Fotoner har symmetrisk vågfunktion ◦ sägs uppfylla Bose–Einstein statistik (modernt: bosoner) 7 / 22 Relativistisk Kvantmekanik 2 2 2 • Klein–Gordon ekvationen ∇2 − 12 ∂ 2 φ = m 2c φ c ∂t ~ ◦ relativistisk (till skillnad från Schrödinger ekv.) ◦ ej kompatibel med sannolikhetstolkning ◦ problemet: andra ordningens tidsderivata • Schrödinger ekv. för elektronen med spinn [Pauli] H11 H12 H21 H22 ψ1 ψ2 ∂ = i~ ∂t ψ1 ψ2 • Dirac [1928]: kvadratroten ur c 2~ p 2 − E 2 = m2 c 4 “A great deal of my work is just playing with equations and seeing what they give.” 8 / 22 Relativistisk Kvantmekanik 2 2 2 • Klein–Gordon ekvationen ∇2 − 12 ∂ 2 φ = m 2c φ c ∂t ~ • Schrödinger ekv. för elektronen med spinn [Pauli] • Dirac [1928]: ∂ mc γµ µ + ψ=0 ∂x ~ där γ µ är 4 × 4–matriser och ψ har 4 komponenter µ µ µ µ γ11 γ12 γ13 γ14 ψ1 µ µ µ µ γ γ γ γ 21 22 23 24 ψ2 γµ = γ µ γ µ γ µ γ µ , ψ = ψ3 31 32 33 34 µ µ µ µ γ41 γ42 γ43 γ44 ψ4 ψ: spinor 8 / 22 Relativistisk Kvantmekanik 2 2 2 • Klein–Gordon ekvationen ∇2 − 12 ∂ 2 φ = m 2c φ c ∂t ~ • Schrödinger ekv. för elektronen med spinn [Pauli] • Dirac [1928]: mc µ ∂ γ + ψ=0 ∂x µ ~ ◦ relativistisk ◦ i centralpotential är spinn en automatisk konsekvens ◦ Schrödingers teori som gräns då E << mc 2 8 / 22 Diracekvationen och Diracs hålteori • Diracekvationen framgångsrik i vissa avseenden, men p • E = ± c 2~ p 2 − m2 c 4 ◦ kan i kvantmekanik ej kasta bort lösningar med negativ energi ◦ Kleins paradox • Hålteorin: vakuum är ett tillstånd med (nästan) alla negativa energitillstånd upptagna (“Dirachavet”), och uteslutningsprincipen gäller ◦ ett icke–ockuperat tillstånd i havet ser ut som en partikel med laddningen +e och positiv energi, Dirac föreslog detta var protonen ◦ då ψ kopplar till EM–fält kan elektron-hål par bildas via absorption av fotoner – partikelantalet ej bevarat! 9 / 22 Positronen • Flertal invändningar mot protonhypotesen [1930] ◦ väteatomens livstid ∼ 10−10 s [Oppenheimer, Tamm] ◦ ett hål har exakt samma massa som en elektron [Weyl] • Dirac [1931]: “ A hole, if there were one, would be a new kind of particle, unknown to experimental physics, having the same mass and opposite charge of the electron.” han kallar den “anti–elektron” • Carl Anderson [1932] detekterar partiklar med liten massa och positiv laddning i observationer av kosmisk strålning, en redaktör på tidskriften Science föreslår namnet “positron” 10 / 22 Kort sammanfattning • Ny ingrediens: spinn – konsekvens av relativistisk kvantmekanik • Udda tolkning – hålteorin, automatiskt en mångpartikelteori 11 / 22 Klassisk fysik och dess kvantisering • Klassisk (fundamental) fysik: ◦ partikelmekanik (Newtonsk & relativistisk) – dynamiken hos klassiska punktpartiklar ◦ fältteori – Maxwells teori för elektromagnetism (relativistisk), Newtons teori för gravitation (Newtonsk) • Deras kvantiserade motsvarigheter: ◦ (icke–relativistisk) kvantmekanik – Schrödingers vågmekanik/Heisenbergs matrismekanik ◦ relativistisk kvantmekanik – Diracekvationen ◦ kvantiserad Maxwellteori?? – krävs pga fotonbegreppet, kopplar till laddade partiklar ◦ (kvantiserad Newtonsk gravitation?) 12 / 22 Kvantelektrodynamik – första stegen • Förarbete av Born, Heisenberg & Jordan [1925] • Dirac [1927]: kvantteorin för EM-fält kopplat till en väteatom ~ = −∇A0 − ∂ A, ~ B ~ =∇×A ~ ◦ vektorpotential Aµ : E ∂t ~ X ◦ fourieruppdelning Aµ = aµ (~k , t) + aµ† (~k , t) ei k ·~x ~ k ◦ kommuteringsrelationer [aµ (~k , t), aν† (~k 0 , t)] = δµν δ~k ,~k 0 P ◦ Hamiltonian H = j,~k hc|~k | aj† (~k )aj (~k ) + 12 ◦ ∞ många harmoniska oscillatorer (en för varje ~k , j) ◦ a† (~k ) skapar & aj (~k ) förintar en foton med energi hc|~k | j • Dirac beräknade approximativt amplituderna för emission och absorption av en foton 13 / 22 Kvantelektrodynamik – första stegen • Förarbete av Born, Heisenberg & Jordan [1925] • Dirac [1927]: kvantteorin för EM-fält kopplat till en väteatom • Dirac beräknade approximativt amplituderna för emission och absorption av en foton ◦ första pappret: “Radiative processes...in which more than one light–quantum take part simultaneously are not allowed...” (1:a ordningens störningsteori) ◦ andra pappret: i 2:a ordningens störningsteori följer att amplituden har två bidrag: γ + ei → e0 → γ 0 + ef γ + ei → e00 + γ + γ 0 → γ 0 + ef ◦ högre ordningar i störningsteori (mer exakta approximationer) inkluderar automatiskt flerpartikelprocesser 13 / 22 Kvantelektrodynamik – första stegen • Förarbete av Born, Heisenberg & Jordan [1925] • Dirac [1927]: kvantteorin för EM-fält kopplat till en väteatom • Dirac beräknade approximativt amplituderna för emission och absorption av en foton • I kvantelektrodynamik är (nästan uteslutande) endast approximativa beräkningar möjliga: störningsteori ◦ storhet f ≈ f0 + αf1 + α2 f2 + . . . 1 e2 ◦ α = ~c ≈ 137 : finstrukturkonstanten ◦ man beräknar succesivt bidrag från högre och högre ordningar i α 13 / 22 Fältkvantisering och Kvantstatistik • Kommuteringsrelationerna i Diracs kvantisering av Maxwellfältet kan sammanfattas [Aµ (~x , t), A†ν (~x 0 , t)] = δµν δ(~x − ~x 0 ) • Pascual Jordan & Oscar Klein [1927] visar: P ◦ för ett kvantfält φ(x, t) = k (ak (t)uk (x) + ak† (t)uk∗ (x)) s.a. [φ(x, t), φ† (x 0 , t)] = δ(x − x 0 ) gäller ◦ partiklarna som skapas av ak† (t) uppfyller Bose–Einstein statistik • Jordan & Wigner [1928] visar: P ◦ för ett kvantfält ψ(x, t) = k ak (t)uk (x) + ak† (t)uk∗ (x) s.a. {ψ(x, t), ψ † (x 0 , t)} = δ(x − x 0 ) där {A, B} = AB + BA (antikommutatorn), gäller ◦ partiklarna som skapas av ak† (t) uppfyller Fermi–Dirac statistik 14 / 22 Relativistisk invarians i kvantfältteori • Speciell relativitetsteori: symmetri under den s.k. Lorentzgruppen ◦ rotationer i rummet ◦ Lorentz boostar • Jordan, Pauli & Heisenberg (i olika konstellationer) [1928]: ◦ gav en allmän formulering av relativistiska fältteorier 15 / 22 Relativistisk invarians i kvantfältteori • Speciell relativitetsteori: symmetri under den s.k. Poincarégruppen ◦ rotationer i rummet ◦ Lorentz boostar ◦ translationer i rum och tid • Jordan, Pauli & Heisenberg (i olika konstellationer) [1928]: ◦ gav en allmän formulering av relativistiska fältteorier 15 / 22 Relativistisk invarians i kvantfältteori • Speciell relativitetsteori: symmetri under den s.k. Lorentzgruppen • Jordan, Pauli & Heisenberg (i olika konstellationer) [1928]: ◦ gav en allmän formulering av relativistiska fältteorier, utgående från en verkansintegral (se Claes föreläsning om symmetrier/“minsta verkans princip”) Z S = L(φ, ∂φ) Z ~2 −B ~ 2 är en Lorentzinvariant verkan för ◦ Jordan [1908]: S = E Maxwellfältet ◦ lösningar till de klassiska fältekvationerna minimerar verkan S ◦ givet hur φ transformerar under rotationer och Lorentzboostar är det relativt enkelt att lista ut hur S kan se ut för att ge manifest Lorentzinvarianta fältekvationer ◦ gav recept för hur dessa, i princip, kvantiseras 15 / 22 Gaugeinvarians • Heisenberg & Pauli [1928]: till synes oöverstigligt hinder att kvantisera Maxwell teori enligt receptet, verkan S “degenererad” ◦ S måste formuleras i termer av vektorpotentialen Aµ ~ B ~ bestämmer ej Aµ unikt, Aµ & Aµ + ∂χ ger samma elektriska ◦ E, ∂x µ och magnetiska fält för godtycklig funktion χ ◦ Aµ innehåller redundanta (och icke–fysikaliska) frihetsgrader ∂χ , ψ 7→ eiχ ψ kallas U(1) gaugetransformation (ψ ∂x µ “materiefält” kopplat till EM–fältet) • Aµ 7→ Aµ + 16 / 22 Gaugeinvarians • Heisenberg & Pauli [1928]: till synes oöverstigligt hinder att kvantisera Maxwell teori enligt receptet, verkan S “degenererad” ∂χ • Aµ 7→ Aµ + , ψ 7→ eiχ ψ kallas U(1) gaugetransformation (ψ ∂x µ “materiefält” kopplat till EM–fältet) • H & P fann 1929 hur en teori med gaugeinvarians kan behandlas • Weyl [1919]: gaugeinvarians ⇒ bevarande av elektrisk laddning • principen om gaugeinvarians fruktbar: leder naturligt till icke–triviala fältteorier, generaliseringar av Maxwellteori (ex.vis i standardmodellen) 16 / 22 Kvantelektrodynamik – problem med ∞ • Fock [1933], Heisenberg [1934]: elektronens vågfunktion 7→ kvantfältet ψ – kvantelektrodynamik därmed en genuin kvantfältteori, hålteorin död • Framgångsrik, men med problem • Elektronens självenergi ◦ klassiskt: lima→0 e2 /a ◦ (icke–relativistisk) kvantmekanik: lima→0 e2 /a [Jordan & Klein, Heisenberg & Pauli] ◦ kvantelektrodynamik: lima→0 e2 /a2 , ännu värre! [Oppenheimer] (det finns ∞ många intermediära tillstånd e → γ 0 + e0 → e) ◦ Dirac [1934]: definiera fysikalisk energi och laddning genom att subtrahera bidraget från Dirachavet (uttryckt i hålteori, kräver noggrann subtraktion av divergerande storheter (∞ − ∞)) 17 / 22 Kvantelektrodynamik – problem med ∞ • Fock [1933], Heisenberg [1934]: elektronens vågfunktion 7→ kvantfältet ψ – kvantelektrodynamik därmed en genuin kvantfältteori, hålteorin död • Framgångsrik, men med problem • Elektronens självenergi ◦ Dirac [1934]: definiera fysikalisk energi och laddning genom att subtrahera bidraget från Dirachavet (uttryckt i hålteori, kräver noggrann subtraktion av divergerande storheter (∞ − ∞)) • Vakuumpolarisation ◦ Dirac [1933]: pga elektron–positron parproduktion skärmas en elektrisk laddning i vakuum, och beror på vid vilken energi den mäts. (∞ − ∞) • Delvis fungerande recept, men otillfredställande situation • “Inget” händer fram till ∼ 1947 17 / 22 Spin–Statistik teoremet • Partiklar kan ha ◦ heltaligt spinn (0, 1, 2, ...) ◦ halvtaligt spinn (1/2, 3/2, 5/2, ...) (elektronen, protonen, neutronen alla spinn 1/2) ◦ eller helicitet för masslösa partiklar (fotonen har helicitet 1) • Teoremet [Fierz 1939, Pauli 1940, Schwinger 1950, Feynman]: Partiklar med heltaligt spinn är bosoner, partiklar med halvtaligt spinn är fermioner • Beviset (eller bevisen ...) kräver relativistisk kvantfältteori 18 / 22 Modern Kvantelektrodynamik (QED) • Nya huvudpersoner: Julian Schwinger (1918–1994), Sin-ItiroTomonaga (1906–1979), Richard Feynman (1918–1988), Freeman Dyson (1923–). • Schwinger, Tomonaga, Feynman oberoende av varandra gav en manifest Lorentz– och gauge–invariant formulering av störningsteori i kvantelektrodynamik • Feynmans formulering mest elegant: ◦ vägintegral Z i DAµ Dψe ~ S[Aµ ,ψ] ◦ störningsteori organiserad i Feynmandiagram • Dyson [1949]: Feynmans approach är ekvivalent med Schwingers och Tomonagas approacher 19 / 22 Feynmandiagram • R i DAµ Dψe ~ S[Aµ ,ψ] = O(1) + O(α) + O(α2 ) + . . . • Bidraget av ordning αn representeras av diagram med n loopar • “Inre linjer” kallas virtuella partiklar 20 / 22 Feynmandiagram • R i DAµ Dψe ~ S[Aµ ,ψ] = O(1) + O(α) + O(α2 ) + . . . • Bidraget av ordning αn representeras av diagram med n loopar • “Inre linjer” kallas virtuella partiklar • I störningsteori: växelverkan sker genom utbyte av virtuella partiklar, elektromagnetisk växelverkan sker genom utbyte av virtuella fotoner 20 / 22 Renormering • “Utnyttja” att vi inte känner teorin för godtyckligt höga energier: inkludera endast bidrag upp till en viss given energi Λ • Resultat a’priori beroende av “cut–off” energin Λ, men ofta tillräckligt noggrannt för experimentella syften (effektiv fältteori) • Ibland möjligt ta Λ → ∞ med ändligt svar, teorin kallas då renormerbar ex: Standardmodellen • Centralt för QED: proceduren måste ske utan att bryta gaugeinvarians! 21 / 22 Härnäst • 70–85: ◦ standardmodellen (Sheldon Glashow, Stephen Weinberg & Abdus Salam) ◦ konceptuell förståelse av kvantfältteori & renormering (Kenneth Wilson) • Se näst–nästa föreläsning 22 / 22
© Copyright 2024