ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ & ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Εισαγωγή στην επανακανονικοποίηση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής και χρωμοδυναμικής Διπλωματική εργασία του Σπύρου Δημήτρη Επιβλέπων: Τράκας Νικόλαος Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Ιούλιος 212

2 i... Σπύρου Δημήτρης Διπλωματούχος Φυσικός Εφαρμογών ΣΕΜΦΕ-ΕΜΠ c 212, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο.All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προυπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρεπει να απευθύνονται προς το συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου.

3 ii Ευχαριστίες Ολοκληρώνοντας την διπλωματική μου εργασία θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους αυτούς τους ανθρώπους που με ενέπνευσαν να ασχοληθώ με τη φυσική και με καθοδήγησαν όλα αυτά τα χρόνια ως μαθητή και μετέπειτα ως φοιτητή. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή μου κύριο Νικόλαο Τράκα για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγηση κατα τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της εργασίας. Ευχαριστώ επίσης τους συμφοιτητές και φίλους μου για τις συμβουλές και τη βοήθεια που μου παρείχαν όποτε χρειάστηκε. Τέλος ένα μεγάλο ευχαριστώ ανήκει στην οικογένεια μου για την ηθική και υλική υποστήριξη τους τα χρόνια των σπουδών μου και γενικότερα στη ζωή μου.

4 iii Περίληψη Η εργασία αυτή είναι αφιερωμένη στη μελέτη της μεθόδου της επανακανονικοποίησης. Είναι μια μέθοδος που εφαρμόζεται για την συστηματική απαλλαγή μας από αφύσικους απειρισμούς που εμφανίζονται σε ανώτερες τάξης της θεωρίας διαταραχών και δεν παρατηρούνται στα πειράματά μας. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποιες εισαγωγικές έννοιες της σχετικιστικής κβαντομηχανικής και της θεωρίας σκέδασης με τη χρήση των συναρτήσεων Green, οι οποίες αποτελούν και βασικό αντικείμενο της επανακανονικοποίησης, ενώ ταυτόχρονα εφαρμόζονται σε παραδείγματα σκέδασης. Τέλος, γίνεται μια μικρή εισαγωγή στην κβαντική χρωμοδυναμική (ΚΧΔ). Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια διεξοδική εφαρμογή της επανακανονικοποίησης στην κβαντική ηλεκτροδυναμική (ΚΗΔ) στην δεύτερη τάξη της θεωρίας διαταραχών και εξετάζονται μερικά παραδείγματα στην ΚΧΔ, ενώ γίνεται μια εισαγωγή στις μεθόδους της ομάδας επανακανονικοποίησης.

5 iv Abstract This diploma thesis is dedicated to the study of the method of renormalization. It is a method applied for our systematic release from unnatural divergences that appear in higher orders of perturbation theory and are not noted in our experiments. In the first chapter, there are certain introductory concepts of the relativistic quantum mechanics and of the theory of scattering presented with the use of Green s functions, which constitute the basic object of renormalization, whilst they are simultaneously applied to examples of scattering. Finally, there is a small introduction in the quantum chromodynamics (QCD). In the second chapter takes place a detailed application of the renormalization in the quantum electrodynamics (QED) on the second order of perturbation theory and some examples are tested in QCD, whilst an introduction to the methods of the renormalization group equation is made.

6 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική Εξίσωση Dirac Γενικευμένη Αρχή του Huygens Διαδότες Συναρτήσεις Green Μη σχετικιστική περίπτωση Σχετικιστική περίπτωση Διαδικασίες σκέδασης στην ΚΗΔ Κβαντική Χρωμοδυναμική Η ιδέα του αναλλοίωτου βαθμίδας Η Λαγκρανζιανή της ΚΗΔ σαν πρότυπο Η Λαγκρανζιανή της ΚΧΔ και ο μετασχηματισμός BRST Κανόνες Feynman Επανακανονικοποίηση Εισαγωγή Διορθώσεις 1 βρόγχου στην ΚΗΔ Διαδότης ηλεκτρονίου Πόλωση του κενού Διαμόρφωση ρεύματος Ταυτότητα Ward-Takahashi Counterterms Κβαντική χρωμοδυναμική Βρόγχος γλουονίων Κορυφή τριών γλουονίων Εξίσωση Ομάδας Επανακανονικοποίησης Αʹ Ιδιότητες πινάκων γ στις n διαστάσεις 51 Βʹ Η Lie άλγεβρα SU(N) 53

7 vi ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Γʹ Συνάρτηση Γ 55 Δʹ Χρήσιμα ολοκλήρωματα στις n διαστάσεις 57 Εʹ Ανώμαλη μαγνητική ροπή ηλεκτρονίου 61 Βιβλιογραφία 65

8 Κατάλογος σχημάτων 1.1 Αναπαράσταση της συνεισφοράς της ν-οστής τάξης στην συνάρτηση Green G + (x ; x) Μερικά παραδείγματα διαδικασιών Μερικά διαγράμματα: (a) που περιέχονται; (b) που δεν περιέχονται στην G (4) (p 1,..., p 4 ) Παραδείγματα ενός 1PI (a) και ενός μη 1PI (b) διαγράμματος Σχηματική αναπαράσταση της Εξ.(1.41) Διάγραμμα Feynman της σκέδασης e µ e µ Κάποια επιπλέον διαγράμματα Feynman που περιγράφουν διαδικασιές σκεδάσης Μερικά διαδράμματα δεύτερης τάξης της e e + e e Οι τρεις κύριοι βρόγχοι που απειρίζονται Κανόνες Feynman για την L Διάγραμμα βρόγχου γλουονίων Τα επιπλέον διαγράμματα που συνεισφέρουν στον διαδότη του γλουονίου Ο φερμιονικός βρόγχος που συνεισφέρει στην κορυφή τριών γλουονίων Μερικά από τα επιπλέον διαγράμματα που συνεισφέρουν στην κορυφή τριών γλουονίων Σχηματική αναπαράσταση των τεσσάρων πιθανών μορφών της β(g). 45

9 viii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ

10 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική 1.1 Εξίσωση Dirac Για κάποιο χρονικό διάστημα η εξίσωση Klein-Gordon θεωρούταν η μόνη σχετικιστική κβαντομηχανική εξίσωση, ώσπου ο Dirac ανακάλυψε μια νέα. Ο στόχος του ήταν να βρει μια διαφορική εξίσωση που να είναι γραμμική ως προς την χρονική παράγωγο / t 1 (σε αντίθεση με την εξίσωση Klein-Gordon), επομένως και ως προς τον τελεστή, οπότε θα έχει τη γενική μορφή Hψ = (α p + βm)ψ (1.1) Οι συντελεστές α i (i = 1, 2, 3) και β υπολογίζονται από την απαίτηση το ελεύθερο σωματίδιο να ικανοποιεί την σχετικιστική σχέση οπότε από την Εξ.(1.1) έχουμε H 2 ψ = (p 2 + m 2 )ψ H 2 ψ = (α i p i + βm)(α j p j + βm)ψ = [α 2 i p 2 i + (α i α j + α j α i ) p }{{} i p j + (α i β + βα i ) p }{{} i m + β 2 m 2 ] Συγκρίνοντας τις παραπάνω εξισώσεις καταλήγουμε στις εξής σχέσεις για τους συντελεστές 1 Το κίνητρό του ήταν να γράψει μια εξίσωση που δεν θα δίνει αρνητική πυκνότητα πιθανότητας όπως αυτή των Klein-Gordon. Ο Dirac κατάλαβε ότι η ρίζα του προβλήματος είναι ότι η εξίσωση Klein- Gordon είναι δευτεροβάθμια ως προς τη χρονική μεταβολή.

11 2 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική α 2 i = β 2 = 1 α i α j + α j α i = α i β + βα i = Λόγω των σχέσεων αντιμετάθεσης που ισχύουν, τα α i και β δεν είναι απλοί αριθμοί αλλά πίνακες που δρουν στην κυματοσυνάρτηση ψ. Αποδεικνύεται ότι οι μικρότερης διάστασης πίνακες που ικανοποιούν τις παραπάνω σχέσεις, είναι 4 4 ερμητιανοί, άιχνοι πίνακες με ιδιοτιμές ±1. Η αναπαράσταση των πινάκων δεν είναι μοναδική αλλά οι δύο πιο συνηθισμένες στην σωματιδιακή φυσική είναι η Dirac-Pauli όπου α = ( ) σ, β = σ ( ) I I και η Weyl με α = ( ) σ, β = σ ( ) I I όπου I είναι ο μοναδιαίος 2 2 πίνακας και σ οι πίνακες Pauli σ 1 = ( ) 1, σ 1 2 = ( ) i, σ i 3 = ( ) 1 1 Παρακάτω θα χρησιμοποιήσουμε την αναπαράσταση Dirac-Pauli. Το τετραδιάστατο διάνυσμα στήλη ψ που ικανοποιεί την εξίσωση Dirac καλείται σπίνορας Dirac και περιγράφει ένα σπιν 1/2 σωματίδιο και το αντισωματίδιό του, όπως θα δούμε. Αν θέλουμε να γράψουμε την εξίσωση Dirac σε συναλλοίωτη μορφή πολλαπλασιάζουμε την Eξ.(1.1) από αριστερά με β και κάνουμε τις συνήθεις αντικαταστάσεις οπότε έχουμε H i / t και p i iβ ψ t = iβα ψ + mψ (iγ µ µ m)ψ = (1.2) όπου εισάγαμε τους πίνακες Dirac γ µ (β, βα) (1.3)

12 1.1 Εξίσωση Dirac 3 που ικανοποιούν την σχέση αντιμετάθεσης {γ µ, γ ν } = 2g µν (1.4) Το επόμενο βήμα είναι να ορίσουμε το τετραδιάνυσμα του ρεύματος πυκνότητας πιθανότητας για την κυματοσυνάρτηση. Για να το πετύχουμε αυτό εισάγουμε τον συζυγή σπίνορα (στήλη) ψ ψ γ και παίρνουμε την ερμητιανή συζυγή της εξίσωσης Dirac i µ ψγ µ m ψ = (1.5) Πολλαπλασιάζοντας τώρα την Eξ.(1.2) από αριστερά με ψ και την Eξ.(1.5) από δεξιά με ψ και προσθέτοντάς τες βρίσκουμε οπότε έχουμε ψγ µ µ ψ + µ ψγ µ ψ = µ ( ψγ µ ψ) = (1.6) j µ = ψγ µ ψ αφού ικανοποιεί την εξίσωση συνέχειας. Η πυκνότητα πιθανότητας ρ j = ψγ ψ = ψ ψ = 4 ψ i 2 i=1 είναι θετική ποσότητα όπως ακριβώς επιθυμούσε o Dirac. Ας αναζητήσουμε τώρα τις λύσεις της εξίσωσης Dirac. Για ένα ελεύθερο σωματίδιο αναμένουμε λύσεις επίπεδου κύματος, δηλαδή της μορφής ψ = u(p)e ipx (1.7) Αντικαθιστώντας την Eξ.(1.7) στην Eξ.(1.2) και χρησιμοποιώντας τον συμβολισμός p γ µ p µ έχουμε ( p m)u = (1.8) που είναι η εξίσωση Dirac στον χώρο των ορμών. Μιας και ψάχνουμε ιδιοδιανύσματα της ενέργειας είναι καλύτερα να χρησιμοποιήσουμε την αρχική μορφή του τελεστή της ενέργειας Hu = (α p + βm)u = Eu (1.9) Ας πάρουμε πρώτα την περίπτωση του ακίνητου σωματιδίου όπου p = οπότε έχουμε ( ) mi Hu = βmu = = Eu mi

13 4 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική με ιδιοτιμές E = m, m, m, m και ιδιοδιανύσματα 1, 1, 1, 1 Οι δύο πρώτες λύσεις με E > περιγράφουν το σωματίδιο, ενώ οι δύο λύσεις με E < περιγράφουν ένα αντισωματίδιο με E >. Αντίθετα, αν p η Eξ.(1.9) γίνεται ( ) ( ) ( ) m σ p ua ua Hu = = E σ p m u B u B σ pu B = (E m)u A σ pu A = (E + m)u B (1.1) οπού οι σπίνορες u A και u B είναι διάστασης δύο. Για E > έχουμε τις λύσεις u (s) A = χ(s) και u (s) B = σ p E + m χ(s) επομένως ο σπίνορας Dirac γίνεται ( χ u (s) (s) = N σ p E+m χ(s) ) (1.11) όπου s = 1, 2, N η σταθερά κανονικοποίησης και ( ) 1 χ (1) =, χ (2) = ( ) 1 Για E < ο σπίνορας Dirac είναι u (s+2) = N ( σ p ) E +m χ(s) χ (s) (1.12) Συνήθως για ευκολία χρησιμοποιούμε τον συμβολισμό u (3,4) ( p) = v (2,1) (p) για το αντισωματίδιο που ικανοποιεί την εξίσωση ( p + m)v = (1.13)

14 1.2 Γενικευμένη Αρχή του Huygens Διαδότες Συναρτήσεις Green 5 Όσον αφορά την κανονικοποίηση των κυματοσυναρτήσεων θεωρούμε ότι έχουμε 2E σωματίδια ανά μονάδα όγκου, δηλαδή ρdv = ψ ψdv = u u = 2E απ' όπου προκύπτουν οι σχέσεις ορθογωνιότητας u (r) u (s) = 2Eδ rs, v (r) v (s) = 2Eδ rs με r, s = 1, 2 (1.14) οπότε η σταθερά κανονικοποίησης είναι N = E + m. Για τις συζυγείς κυματοσυναρτήσεις ū u γ και v v γ έχουμε τις εξισώσεις ū( p m) = (1.15) v( p + m) = (1.16) με την βοήθεια των οποίων αποδεικνύονται εύκολα οι σχέσεις ū (s) u (s) = 2m, v (s) v (s) = 2m καθώς και οι σχέσεις πληρότητας u (s) (p)ū (s) (p) = p + m (1.17) s=1,2 v (s) (p) v (s) (p) = p m (1.18) s=1,2 Τέλος να αναφέρουμε άλλη μια επιτυχία της εξίσωσης Dirac. Στο μη σχετικιστικό όριο δίνει, για ένα ηλεκτρόνιο εντός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, την εξίσωση Pauli- Schrödinger και προβλέπει ότι ο γυρομαγνητικός λόγος g = 2 ενώ πειραματικά είναι g = Στο επόμενο κεφάλαιο θα δούμε που οφείλεται αυτή η μικρή διαφορά. 1.2 Γενικευμένη Αρχή του Huygens Διαδότες Συναρτήσεις Green Μη σχετικιστική περίπτωση Στις διαδικασίες σκέδασης θεωρούμε κυματοπακέτα που εξελίσσονται στον χρόνο από μια αρχική κατάσταση η οποία είναι σταθερή στο παρελθόν. Το ερώτημα που

15 6 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική τίθεται στο πρόβλημα είναι τι συμβαίνει στο κυματοπακέτο όταν πλησιάζει ένα κέντρο σκέδασης ( ένα δυναμικό ή ένα άλλο σωματίδιο). Η Γενικευμένη Αρχή του Huygens λέει ότι αν ξέρουμε τη συνάρτηση ψ(x, t) σε ένα συγκεκριμένο σημείο, τότε η μορφή του σε μια μετέπειτα χρονική στιγμή t μπορεί να εξαχθεί θεωρώντας ότι κάθε σημείο x τη στιγμή t είναι πηγή σφαιρικών κυμάτων. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι η ένταση του κύματος που δημιουργείται από το σημείο x και φτάνει στο σημείο x τη στιγμή t είναι ανάλογη του αρχικού πλάτους κύματος ψ(x, t). Ας ονομάσουμε τη σταθερά αναλογίας ig(x, t ; x, t). Η Γενικευμένη Αρχή του Huygens γράφεται τότε ψ(x, t ) = i d 3 x G(x, t ; x, t)ψ(x, t), t > t (1.19) Η συνάρτηση G(x, t ; x, t) είναι γνωστή σαν συνάρτηση Green ή διαδότης και περιγράφει τη επίδραση του κύματος ψ(x, t) στο ψ(x, t ). Άρα η γνώση της συνάρτησης Green λύνει το πρόβλημα σκέδασης ή ισοδύναμα είναι σαν να ξέρουμε τη λύση της εξίσωσης Schrödinger. Για να εξηγήσουμε την μαθηματική ιδέα των εξισώσεων Green είναι καλύτερο να λύσουμε την εξίσωση του Schrödinger ψ(x, t) i t = Ĥψ(x, t) = (Ĥ + V (x, t))ψ(x, t) (1.2) με Ĥ = 2 2m 2 που περιγράφει την αλληλεπίδραση ενός σωματιδίου μάζας m με μια σημειακή πηγή δυναμικού. Η διαφορική εξίσωση είναι 1ου βαθμού ως προς τον χρόνο που σημαίνει ότι αν γνωστή η ψ(x, t ) τότε μπορούμε να υπολογίσουμε την ψ(x, t) τόσο για προηγούμενες,όσο και για μεταγενέστερες χρονικές στιγμές. Επιπλέον η εξίσωση του Schrödinger είναι γραμμική οπότε ισχύει η αρχή της επαλληλίας. Οπότε η σχέση μεταξύ της συνάρτησης ψ(x, t) σε διαφορετικές χρονικές στιγμές είναι γραμμική. Άρα η συνάρτηση του ψ(x, t) πρέπει να ικανοποιεί μια γραμμική ομογενή ολοκληρωτική εξίσωση της μορφής ψ(x, t ) = i d 3 x G(x, t ; x, t)ψ(x, t) (1.21) Αυτή η σχέση ορίζει την συνάρτηση G που είναι η συνάρτηση Green της Χαμιλτονιανής. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η συνάρτηση της Eξ.(1.21) δεν διαχωρίζει την διάδοση της ψ μπροστά στο χρόνο (t > t) ή πίσω στο χρόνο (t < t). Παρόλα αυτά για να ισχύει η αρχή της αιτιότητας είναι χρήσιμο να ορίσουμε την καθυστερημένη συνάρτηση Green { G + (x, t G(x, t ; x, t) για t > t ; x, t) = (1.22) για t < t

16 1.2 Γενικευμένη Αρχή του Huygens Διαδότες Συναρτήσεις Green 7 που περιγράφει τη διάδοση του κύματος μπροστά στο χρόνο. Έτσι η Eξ.(1.21) γίνεται Θ(t t)ψ(x, t ) = i d 3 xg + (x, t ; x, t)ψ(x, t) για t < t (1.23) με Θ(t t) = { 1 για t > t για t < t Αν θέλουμε να περιγράψουμε την διάδοση πίσω στο χρόνο ορίζουμε την προχωρημένη συνάρτηση Green { G (x, t G(x, t ; x, t) για t < t ; x, t) = (1.24) για t > t Αν εφαρμόσουμε τον τελεστή της εξίσωσης Schrödinger (i t Ĥ(x )) (1.25) στην Eξ.(1.23) θα έχουμε: (i t Ĥ(x ))Θ(t t)ψ(χ ) = i d 3 x(i t Ĥ(x ))G + (χ ; χ)ψ(χ) όπου το χ = { x, t} οπότε i d 3 x[(i t Ĥ(x ))G + (χ ; χ) δ 3 ( x x)δ(t t)]ψ(χ) = Επειδή αυτό συμβαίνει για τυχαία συνάρτηση ψ(χ) συνεπάγεται ότι (i t Ĥ(x ))G + (χ ; χ) = δ 4 (χ χ) (1.26) Η Eξ.(1.26) μαζί με την οριακή συνθήκη G + (χ, χ) = για t < t ορίζει πλήρως την καθυστερημένη συνάρτηση Green. Από την Eξ.(1.26) φαίνεται επίσης ότι η συνάρτηση Green είναι το κύμα που δημιουργείται από μία σημειακή πηγή. Επίσης είναι χρήσιμη ώστε να λύσουμε την μη ομογενή εξίσωση Schrödinger (i Ĥ(x))ψ(χ) = ϱ(χ) (1.27) t

17 8 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική με μια πηγή ϱ(χ). Οπότε η λύση είναι ψ(χ) = ψ (χ) + 1 d 4 χ G + (χ ; χ)ϱ(χ ) για t > t (1.28) όπου ψ (χ) είναι η λύση της ομογενούς εξίσωσης. Η Eξ.(1.26) μπορεί να γραφτεί με την εξής μορφή (i t Ĥ(χ ))G + (χ ; χ) = δ 4 (χ χ) + V (χ )G + (χ ; χ) (1.29) οπότε θα έχουμε τη λύση G + (χ ; χ) = d 4 χ 1 G + (χ ; χ 1 )(δ 4 (χ 1 χ) + V (χ 1 )G + (χ 1 ; χ)) = G + (χ ; χ) + d 4 χ 1 G + (χ ; χ 1 )V (χ 1 )G + (χ 1 ; χ) (1.3) όπου G + (χ ; χ) είναι ο ελεύθερος διαδότης. Η Eξ.(1.3) (καλείται συχνά και εξίσωση Lippmann-Schwinger) είναι μια ολοκληρωτική εξίσωση για τον διαδότη G + (χ ; χ) και μπορεί να αναπτυχθεί σε σειρά όπως παρακάτω G + (χ ; χ) = G + (χ ; χ) + d 4 χ 1 G + (χ ; χ 1 )V (χ 1 )G + (χ 1 ; χ) + d 4 χ 1 d 4 χ 2 G + (χ ; χ 1 )V (χ 1 )G + (χ 1 ; χ 2 )V (χ 2 )G + (χ 2 ; χ) +... (1.31) που σημαίνει ότι η Εξ.(1.3) μας δίνει τον διαδότη διαδικασιών πολλαπλής σκέδασης. Το πλάτος πιθανότητας για την σκέδαση ενός σωματιδίου από μια αρχική σε μια τελική κατάσταση είναι το στοιχείο του πίνακα σκέδασης S fi = φ f (χ ) φ i (χ ) = d 4 χ φ f(χ )φ i (χ ) = i d 4 χ d 4 χφ f(χ )G + (χ ; χ)φ i (χ) Αντικαθιστώντας στην παραπάνω εξίσωση την (1.31) και ολοκληρώνοντας ως προς χ και χ έχουμε S fi = δ fi i d 4 χ 1 φ f(χ 1 )V (χ 1 )φ i (χ 1 ) i d 4 χ 1 d 4 χ 2 φ f(χ 1 )V (χ 1 )G + (χ 1 ; χ 2 )V (χ 2 )φ i (χ 2 ) i d 4 χ 1 d 4 χ 2 d 4 χ 3 φ f(χ 1 )V (χ 1 )G + (χ 1 ; χ 2 )V (χ 2 )G + (χ 2 ; χ 3 )V (χ 3 )φ i (χ 3 ) +...

18 1.2 Γενικευμένη Αρχή του Huygens Διαδότες Συναρτήσεις Green 9 Σχήμα 1.1: Αναπαράσταση της συνεισφοράς της ν-οστής τάξης στην συνάρτηση Green G + (x ; x) Αυτό είναι το διαταρακτικό ανάπτυγμα του πίνακα S, όπου ο πρώτος όρος περιγράφει τη διάδοση χωρίς αλληλεπίδραση, ο δεύτερος με μία κτλ Σχετικιστική περίπτωση Στα προηγούμενα μελετήσαμε την μη σχετικιστική θεωρία διαδοτών όπου ερμηνεύσαμε την συνάρτηση G(x ; x) ως το πλάτος πιθανότητας ένα σωματιδιακό κύμα που δημιουργείται σε ένα χωροχρονικό x να διαδοθεί μέχρι το σημείο x. Αυτό το πλάτος μπορεί να αναλυθεί σε ένα άθροισμα χωρικών πλατών όπου ο n-οστός όρος αποτελείται από παράγοντες που διαγραμματικά φαίνονται στο Σχ.1.1. Κάθε γραμμή αναπαριστά την ελεύθερη συνάρτηση Green G + (x i ; x i 1 ) δηλαδή το πλάτος πιθανότητας ένα σωματιδιακό κύμα να διαδοθεί ελεύθερα από x i 1 στο x i. Τα σημεία όπου συμβαίνει μια αλληλεπίδραση, τα οποία καλούνται κορυφές, αναπαριστώνται με μικρούς κύκλους. Σε κάθε τέτοιο σημείο x i το σωματίδιο σκεδάζεται με πλάτος πιθανότητας V (x i ) ανά μονάδα όγκου. Μια άλλη ερμηνεία για κάθε διαφορετική σκέδαση, που συνάδει τόσο με μια κβαντική θεωρία πεδίου όσο και με μια σχετικιστική διατύπωση στα πλαίσια της θεωρίας του Dirac, είναι ότι στην i-οστή κορυφή, λόγω της αλληλεπίδρασης, καταστρέφεται ή εξαϋλώνεται το σωματίδιο που διαδόθηκε ελεύθερα ως το x i και δημιουργείται ένα που διαδίδεται ως το x i+1 με t i+1 t i. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να μελετήσουμε και να ερμηνεύσουμε διαδικασίες που συναντάμε σε ένα σχετικιστικό πλαίσιο όπως η δημιουργία και η εξαΰλωση ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου. Στο Σχ.1.2 φαίνονται κάποιες από αυτές. Όπως παρατηρούμε στα Σχ.1.2(a) και 1.2(b) έχουμε τη

19 1 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική Σχήμα 1.2: Μερικά παραδείγματα διαδικασιών. σκέδαση ενός ηλεκτρονίου και ενός ποζιτρονίου αντίστοιχα. Στο Σχ.1.2(c) ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου δημιουργείται από ένα δυναμικό στο x 1 και μετά διαδίδονται ελεύθερα, ενώ στο Σχ.1.2(d) ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο που ξεκινάνε από τα σημεία x και x αντίστοιχα, εξαϋλώνονται στο x 1. Τέλος το Σχ.1.2(f) δείχνει ένα ζεύγος που δημιουργείται στο x 1 διαδίδεται ελεύθερα και έπειτα εξαϋλώνεται στο x 2. Τέτοιες εικονικές διαδικασίες που συμβαίνουν για ένα μικρό ενδιάμεσο χρονικό διάστημα θα αποτελέσουν κεντρικό θέμα στο επόμενο κεφάλαιο. Από τα παραπάνω είναι εμφανές ότι σε ένα σχετικιστικό πλαίσιο εκτός από τον διαδότη του ηλεκτρονίου πρέπει να ορίσουμε και τον διαδότη για το ποζιτρόνιο. Ο Dirac στο πλαίσιο της θεωρίας του ερμήνευσε το ποζιτρόνιο σαν μια οπή στη θάλασσα Dirac, ή αλλιώς σαν την απουσία ενός ηλεκτρονίου με αρνητική ενέργεια. Έτσι μπορούμε να πούμε ότι η καταστροφή του ποζιτρονίου σε ένα σημείο, ισοδυναμεί με τη δημιουργία ενός ηλεκτρονίου με αρνητική ενέργεια. Για παράδειγμα, στο Σχ.1.2(e) το ποζιτρόνιο που διαδίδεται από το x 1 στο x 3 ισοδυναμεί με ένα ηλεκτρόνιο αρνητικής ενέργειας που διαδίδεται από το x 3 στο x 1, δηλαδή πίσω στο χρόνο. Έτσι οι Feynman και Stückelberg όρισαν ότι ένα ποζιτρόνιο με θετική ενέργεια που διαδίδεται μπροστά στο χρόνο αντιστοιχεί σε ένα ηλεκτρόνιο με αρνητική ενέργεια που ταξιδεύει πίσω στο χρόνο, ένας ορισμός που ικανοποιεί τις συμμετρίες αναστροφής χρόνου και PCT, ενώ το ηλεκτρόνιο αναπαριστάται από ένα κύμα με θετική ενέργεια που διαδίδεται μπροστά στο χρόνο. Το επόμενο βήμα είναι να υπολογίσουμε τον σχετικιστικό διαδότη για τα σωματίδιά μας. Ας ορίσουμε ως S F (x ; x; A) τον διαδότη του σωματιδίου που προκύπτει από πολ-

20 1.2 Γενικευμένη Αρχή του Huygens Διαδότες Συναρτήσεις Green 11 λαπλές σκεδάσεις και S F (x ; x) τον ελεύθερο διαδότη (συχνά καλούνται και διαδότες Feynman). Τότε αυτοί πρέπει να ικανοποιούν τις αντίστοιχες σχετικιστικές εξισώσεις σε φυσικές μονάδες (i e A m )S F (x ; x; A) = δ 4 (x x) (1.32) (i m )S F (x ; x) = δ 4 (x x) (1.33) Αυτό που πρέπει να τονισθεί είναι ότι οι διαδότες S F (x ; x; A) και S F (x ; x) είναι πίνακες 4 4 άρα οι δύο παραπάνω εξισώσεις είναι εξισώσεις πινάκων. Η εξίσωση για τον ελεύθερο διαδότη λύνεται πιο εύκολα στον χώρο των ορμών και επιτυγχάνεται μέσω των μετασχηματισμών Fourier αφού πρώτα χρησιμοποιήσουμε το γεγονός ότι η συνάρτηση S F (x ; x) εξαρτάται μόνο από την απόσταση x x λόγω ομοιογένειας του χωροχρόνου. Έτσι έχουμε S F (x ; x) = S F (x x) = Έτσι έχουμε για την εξίσωση Dirac στον χώρο των ορμών ή ( p m )S F (p) = I ( p + m )( p m )S F (p) = ( p + m ) d 4 p (2π) 4 S F (p)exp[ ip(x x)] (1.34) (p 2 m 2 )S F (p) = ( p + m ) (1.35) S F (p) = ( p + m ) (p 2 m 2 ) για p 2 m 2 (1.36) Για τον πλήρη ορισμό της S F (p) πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να χειριστούμε την απροσδιοριστία που προκύπτει για p 2 = m 2 ή p = ± m 2 + p 2 = ±E p (mass-shell). Η επιπλέον πληροφορία που χρειαζόμαστε εμπεριέχεται στις συνοριακές συνθήκες της S F (x x). Τέλος πρέπει να σημειώσουμε ότι η S F (p) αποτελεί τον διαδότη τόσο του ηλεκτρονίου όσο και του ποζιτρονίου στον χώρο των ορμών καθώς επίσης και οποιουδήποτε άλλου σωματιδίου με σπιν s = 1. Εφαρμόζοντας τον τύπο (1.36) στον 2 τύπο (1.34) και ολοκληρώνοντας ως προς την ενέργεια κατά μήκος μιας ειδικής καμπύλης C ώστε να συνεισφέρει ο αρνητικός πόλος E p για t < t και ο θετικός για +E p για t > t (για περισσότερες λεπτομέρειες ανατρέξτε στο [6]) καταλήγουμε σε μια έκφραση για την S F (x x) που περιέχει δύο όρους, ο πρώτος περιγράφει την διάδοση καταστάσεων θετικής ενέργειας μπροστά στον χρόνο και ο δεύτερος καταστάσεις αρνητικής ενέργειας πίσω στο χρόνο. Παρ' όλα αυτά δεν θα ασχοληθούμε περαιτέρω με

21 12 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική την S F (x x) διότι όπως θα δούμε και στα επόμενα κεφάλαια η S F (p) θα μας φανεί πιο χρήσιμη για την πραγματοποίηση υπολογισμών. Πάντως για να έχουμε τη δυνατότητα να περιγράψουμε τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο σωματιδίων θα χρειαστούμε και το διαδότη του φωτονίου. Για την εύρεση του θα πρέπει να λύσουμε τη σχετικιστική εξίσωση που ικανοποιεί το διανυσματικό δυναμικό A µ (x) A µ (x) µ ν A ν (x) = J µ (x) (1.37) Επειδή έχουμε τη δυνατότητα να αντικαταστήσουμε το A µ (x) με το A µ (x) A µ (x) = A µ (x) + µ χ (1.38) πρέπει να επιλέξουμε μια συγκεκριμένη βαθμίδα ώστε να βρούμε το διαδότη του φωτονίου. Αυτή που επιλέγεται συνήθως, μιας και απλοποιεί την Εξ.(1.37), είναι η βαθμίδα Lorentz µ A µ (x) =. Έτσι έχουμε για τον διαδότη D F (x y) D F (x y) = δ 4 (x y) (1.39) ενώ μέσω του μετασχηματισμού Fourier έχουμε στον χώρο των ορμών την εξίσωση q 2 D F (q 2 ) = 1 D F (q 2 ) = 1 q 2 ή D µν F (q2 ) = gµν q 2 για q 2 (1.4) Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι η συνάρτηση D F (q 2 ) εξαρτάται από την βαθμίδα που επιλέγουμε χωρίς όμως να επηρεάζει το τελικό αποτέλεσμα στο οποίο καταλήγουμε για άλλα φυσικά μεγέθη. Επίσης, περιγράφει τον διαδότη οποιουδήποτε άμαζου σωματιδίου με σπιν s = 1. Τέλος να εισάγουμε την έννοια της γενικευμένης συνάρτησης Green στον χώρο των ορμών και των 1PI (one-particle irreducible) διαγραμμάτων. Η G (n) (p 1,..., p n ) περιγράφει διαδικασίες αλληλεπίδρασης (connected) οποιασδήποτε τάξης. Τα 1PI διαγράμματα είναι εκείνα τα οποία δεν μπορείς να τα χωρίσεις σε δύο ανεξάρτητα διαγράμματα κόβοντας μια εσωτερική γραμμή. Μπορούμε να ορίσουμε τώρα την 1PI γενικευμένη συνάρτηση Green, Γ (n) (p 1,..., p n ) την οποία βρίσκουμε αφαιρώντας τα μη 1PI διαγράμματα από την G (n) (p 1,..., p n ) καθώς και τους διαδότες από τις εξωτερικές γραμμές, δηλαδή ισχύει η αλγεβρική σχέση n G (n) (p 1,..., p n ) = (p i )Γ (n) (p 1,..., p n ) (1.41) όπου (p i ) ο διαδότης του πεδίου. i=1

22 1.2 Γενικευμένη Αρχή του Huygens Διαδότες Συναρτήσεις Green 13 (a) (b) Σχήμα 1.3: Μερικά διαγράμματα: (a) που περιέχονται; (b) που δεν περιέχονται στην G (4) (p 1,..., p 4 ) (a) (b) Σχήμα 1.4: Παραδείγματα ενός 1PI (a) και ενός μη 1PI (b) διαγράμματος Σχήμα 1.5: Σχηματική αναπαράσταση της Εξ.(1.41)

23 14 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική 1.3 Διαδικασίες σκέδασης στην ΚΗΔ Ας εφαρμόσουμε τώρα τα παραπάνω ώστε να βρούμε την διαφορική ενεργό διατομή της σκέδασης ηλεκτρονίου από μιόνιο. Το στοιχείο του πίνακα-s θα είναι λοιπόν e µ p f, s f Pf, S f γ q e p i, s i P i, S i µ Σχήμα 1.6: Διάγραμμα Feynman της σκέδασης e µ e µ S fi = ie d 4 x ψ f (x) A(x)ψ i (x) (1.42) όπου το διανυσματικό δυναμικό οφείλεται στο ρεύμα του μιονίου οπότε θα έχουμε S fi = i d 4 x d 4 y [ e ψ f (x)γ µ ψ i (x)d µν F (x y)j ν(y) ] (1.43) με J ν (y) = e Ψ f (y)γ ν Ψ i (y) = en fn i exp [i(p f P i )y] ū(p f, S f )γ ν u(p i, S i ) όπου Ν η σταθερά κανονικοποιήσης, οπότε καταλήγουμε στη σχέση S fi = ie 2 N fn in f N i [ū(p f, s f )γ µ u(p i, s i )] d 4 x d 4 y d4 q exp [ iq(x y)] (2π) 4 ( g µν exp [i(p f P i ) y] exp [i(p f p i ) x] Ολοκληρώνοντας τώρα προκύπτει ότι q 2 ) [ū(p f, S f )γ ν u(p i, S i )] (1.44) S fi = (2π) 4 δ 4 (P f P i + p f p i ) N fn in f N i [ ieūγ µ u] igµν q 2 [ ieūγ ν u] (1.45)

24 1.3 Διαδικασίες σκέδασης στην ΚΗΔ 15 με q = P f P i = p f p i. Παρατηρούμε ότι το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο εισέρχονται στην εξίσωση με ένα τελείος συμμετρικό τρόπο, γεγονός που είναι λογικό αφού δεν υπάρχει διαφορά ανάμεσα στην σκέδαση του ηλεκτρονίου από το πεδίο του μιονίου ή το αντίστροφο. Το γινόμενο M fi = [ ieūγ µ u] igµν q 2 [ ieūγ ν u] καλείται αναλλοίωτο πλάτος και προκύπτει από το διάγραμμα Feynman, αφού κάθε γραμμή ή κορυφή αντιστοιχεί σε κάποιον παράγοντα. Τέλος, η συνάρτηση δέλτα εξασφαλίζει την διατήρηση της τετραορμής κατά τη σκέδαση. Συνεχίζοντας, ορίζουμε την συχνότητα μετάβασης ανά μονά όγκου ώς W fi = S fi 2 V T = (2π)4 1 V 4 δ4 (P f P i + p f p i ) M fi 2 (1.46) που θεωρήσαμε N = 1/V. Για να βρούμε την διαφορική ενεργό διατομή διαιρούμε την W fi με την ροή εισερχόμενων σωματιδίων J inc, με τον αριθμό των στόχων ανά μονάδα όγκου και πολλαπλασιάζουμε με τον αριθμό των τελικών καταστάσεων της ορμής των σωματιδίων. Έχουμε συνεπώς dσ = = V 2 M fi 2 (2π) 4 v rel 2E i 2E i V 4 (2π) 6 δ4 (P f + p f P i p i ) d3 p f d 3 P f V 2 2E f 2E f 1 M fi 2 4 v rel E i E i (2π) 2 δ4 (P f + p f P i p i ) d3 p f d 3 P f 2E f 2E f (1.47) Βέβαια, η Εξ.(1.47) δίνει τη διαφορική ενεργό διατομή μιας συγκεκριμένης κατάστασης αρχικών και τελικών spin. Για αυτό ορίζουμε τη μέση διαφορική ενεργό διατομή ως d σ = 1 4 v rel E i E i M fi 2 (2π) 2 δ4 (P f + p f P i p i ) d3 p f 2E f d 3 P f 2E f (1.48)

25 16 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική όπου M fi 2 1 M fi 2 (2s i + 1)(2S i + 1) S i,s f,s i,s f = 1 4 ū (s f) γ µ u (s i ) e2 q ū (S f) γ 2 µ u (S i ) με S f S i s f s i = 1 e 4 4 q T r 4 [γµ ( p f + m )γ ν ( p i + m )] T r [γ µ ( P f + M )γ ν ( P i + M )] = e4 q 4 Lµν (e) L(µ) µν (1.49) L µν (e) = 1 2 T r [γµ ( p f + m )γ ν ( p i + m )] (1.5) ο λεπτονικός τανυστής του ηλεκτρονίου και αντίστοιχα για το μιόνιο. 2 = L µν (e) = 1 2 T r [ p f γ µ p i γ ν + m 2 γ µ γ ν] = 2 [ p µ f pν i + p µ i pν f g µν ( p f p i m 2 )] (1.51) Άρα καταλήγουμε για το αναλλοίωτο πλάτος M fi 2 = 8e4 [ ] (pi P q 4 i ) (p f P f ) + (p i P f ) (p f P i ) (p i p f ) M 2 (P i P f ) m 2 + 2M 2 m 2 (1.52) Για να προχωρήσουμε περαιτέρω πρέπει να επιλέξουμε ένα συγκεκριμένο σύστημα αναφοράς. Ας επιλέξουμε το σύστημα ηρεμίας του μιονίου, οπότε θα είναι P i = (M, ), p i = (E, p) p, p f = (E, p ) p και ας υποθέσουμε ότι έχουμε υπερσχετικιστικό ηλεκτρόνιο (E, E m o ) οπότε μπορούμε να αγνοήσουμε τη μάζα του. Έτσι θα έχουμε τις εξισώσεις 1 = 1 (1.53) 4 v rel E i E i 4EM M fi 2 = 8e4 [ ] (pi P q 4 i ) (p f P f ) + (p i P f ) (p f P i ) (p i p f ) M 2 = [ 8e4 12 q 4 q2 (p P i p P i ) + 2(p P i )(p P i ) + 12 ] M 2 q 2 (1.54)

26 1.3 Διαδικασίες σκέδασης στην ΚΗΔ 17 όπου στην τελευταία σχέση χρησιμοποιήσαμε ότι P f = p p + P i, p 2 = p 2 και q 2p p. Αντικαθιστώντας τώρα στην Εξ(1.) τα p, p και P i έχουμε τελικά M fi 2 = 8e4 q 2M E 2 θ2 q2 E {cos sin 2 θ } (1.55) 4 2M 2 2 όπου χρησιμοποιήσαμε τις κινηματικές σχέσεις q 2 2p p 2EE (1 cos θ) = 4EE sin 2 θ 2 Επομένως έχουμε για την Εξ.(1.) q 2 2P i q = 2νM με ν E E = q2 2M d σ = 1 2 M fi 1 4EM (2π) 2 2 E de dωδ 4 (P f + p f P i p i ) d3 P f = 1 2 M fi 1 4EM (2π) 2 2 E de dωδ 4 (P i + q P f ) d3 P f 2E f 2E f (1.56) Ολοκληρώνοντας τώρα ώς προς P f θα γίνει d σ dω = 1 2 M fi 1 d 4EM (2π) 2 2 E de 3 P f δ 4 (P 2E f i + q P f ) = 1 2 M fi 1 4EM (2π) 2 2 E de d 3 P f de fδ 4 (P i + q P f )θ(e f)δ(p f 2 M 2 ) = 1 2 M fi 1 4EM (2π) 2 2 E de 1 δ(ν + q2 ) (1.57) 2M 2M Τέλος, αντικαθιστώντας την Εξ.(1.μ) στην Εξ.(1.) και ολοκληρώνοντας ως προς E έχουμε ( ) d σ dω = a 2 E 2 θ2 q2 {cos 4E 2 sin 4 sin 2 θ } (1.58) θ E 2M με E 1 = E 1 + 2E M sin 2 θ 2 την ενέργεια ανάκρουσης του στόχου.

27 18 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική γ e e e + γ γ e γ e e γ e e + e e + Σχήμα 1.7: Κάποια επιπλέον διαγράμματα Feynman που περιγράφουν διαδικασιές σκεδάσης 1.4 Κβαντική Χρωμοδυναμική Η ιδέα του αναλλοίωτου βαθμίδας Στην κβαντική μηχανική αν πολλαπλασιάσουμε την κυματοσυνάρτηση με έναν παρά- γοντα φάσης e iα δεν υπάρχει κάποια παρατηρήσιμη μεταβολή. Παρ όλα αυτά αν ο παράγοντας φάσης εξαρτάται από το σημείο τότε η κυματοσυνάρτηση δεν αποτελεί πλέον λύση της εξίσωσης Schrödinger για ελεύθερο σωματίδιο. Αν θέλουμε να διατηρείται η τοπική συμμετρία βαθμίδας πρέπει να εισάγουμε ένα πεδίο που αλληλεπιδρά με το σωματίδιο και μετασχηματίζεται με τον ίδιο τρόπο. Πράγματι, αν θεωρήσουμε την εξίσωση Schrödinger ενός ηλεκτρονίου σε μαγνητικό πεδίο με διανυσματικό δυναμικό A( x, t) είναι όπου ισχύει 2 2m (i e c A( x, t)) 2 ψ( x, t) = i t ψ( x, t) (1.59) A( x, t) A( x, t) c e a( x) τότε τόσο η ψ( x, t) όσο και η exp(iα( (x)))ψ( x, t) αποτελούν λύσεις της εξίσωσης. Από το παράδειγμα καταλαβαίνουμε η τοπική διατήρηση βαθμίδας της κυματοσυνάρτησης απαιτεί απαραίτητα την αλληλεπίδραση του σωματιδίου με ένα διανυσματικό πεδίο. Παρακάτω θα δούμε πως το αναλλοίωτο βαθμίδας θα μας οδηγήσει στην κατασκευή της σωστής Λαγκρανζιανής για την ΚΗΔ, που θα χρησιμοποιήσουμε ως πρότυπο για την ΚΧΔ.

28 1.4 Κβαντική Χρωμοδυναμική Η Λαγκρανζιανή της ΚΗΔ σαν πρότυπο Η Λαγκρανζιανή που περιγράφει ένα ελεύθερο πεδίου Dirac (όπως του ηλεκτρονίου) με μάζα m είναι L free = ψ(x)(i µ γ µ m)ψ(x) (1.6) Κάτω από έναν τοπικό U(1) μετασχηματισμό φάσης έχουμε για την κυματοσυνάρτηση ψ(x) exp( iθ(x)1)ψ(x) ενώ στην κλίση υπάρχει ένας επιπλέον όρος µ ψ(x) exp( iθ(x)1) µ ψ(x) i exp( iθ(x)1)ψ(x) µ θ(x) οπότε εισάγουμε ένα διανυσματικό πεδίο που μετασχηματίζεται και ορίζουμε τη συναλλοίωτη παράγωγο A µ (x) A µ (x) 1 e µ θ(x) D µ ψ(x) ( µ + iea µ (x))ψ(x) που μετασχηματίζεται με τον ίδιο τρόπο όπως το πεδίο. Έτσι έχουμε για την Λαγκρανζιανή L = ψ(x)(id µ γ µ m)ψ(x) = L free ea µ (x) ψ(x)γ µ ψ(x) (1.61) Ο δεύτερος όρος δίνει την αλληλεπίδραση του πεδίου Dirac με το διανυσματικό πεδίο. Η πλήρης Λαγκρανζιανή της ΚΗΔ επιτυγχάνεται αν προσθέσουμε έναν κινηματικό όρο για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και έναν όρο βαθμίδας (βαθμίδα Lorentz) ώστε να εξασφαλίζεται η ύπαρξη του διαδότη του φωτονίου L γ = 1 4 F µν F µν 1 2 µ A µ µ A µ (1.62) όπου F µν = µ A ν ν A µ είναι ο ηλεκτρομαγνητικός τανυστής με αποτέλεσμα L QED = L + L γ Στην παραπάνω εξίσωση δεν θα μπορούσαμε να προσθέσουμε έναν όρο μάζας m 2 A µ A µ διότι παραβιάζει το αναλλοίωτο βαθμίδας, γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το φωτόνιο δεν έχει μάζα.

29 2 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική Η Λαγκρανζιανή της ΚΧΔ και ο μετασχηματισμός BRST Η περίπτωση της ΚΧΔ είναι είναι παρόμοια με αυτήν της ΚΗΔ αν και κάπως πιο περίπλοκη λόγω της μη αβελιανής δομής της SU C (3) που αντιστοιχεί στη συμμετρία χρώματος. Η Λαγκρανζιανή πυκνότητα γράφεται L QCD = 1 4 Gµν a G a µν + i ψ α j γ µ (D µ ) αβ ψ β j m j ψ α j ψ j,α 1 2 µ A a µ µ A µ a µ ϕ a D µ ϕ a (1.63) όπου G a µν µ A a ν ν A a µ + gf abc A b µa c ν (a = 1, 2,..., 8) είναι ο τανυστής έντασης του πεδίου των γλουονίων ψ j είναι το πεδίο quark γεύσης j ενώ ϕ a είναι τα 8 βαθμωτά πεδία που ακολουθούν στατιστική φερμιονίων και ονομάζονται Faddeev- Popov ghosts particles τα οποία είναι αναγκαία για μια συνεπή κβάντωση της θεωρίας, μέσω των ολοκληρωμάτων διαδρομών, αφού εξαλείφουν αφύσικες καταστάσεις στον διαδότη των γλουονίων (εξαλείφουν το διαμήκες μέρος που εμφανίζεται σε βρόχους γλουονίων).(d µ ) αβ δ αβ µ ig 1 a 2 λa αβ Aa µ είναι η συναλλοίωτη παράγωγος που δρα στο χρώμα των quark, ενώ λ a αβ είναι οι πίνακες χρώματος και f abc είναι οι πραγματικές σταθερές δομής της SU(3) άλγεβρας Lie [T a, T b ] = if abc T c όπου (T a ) αβ = 1 2 λa αβ είναι η θεμελιώδης αναπαράσταση χρώματος και (T a) bc = if abc η συζυγής αναπαράσταση. Ο προτελευταίος όρος είναι για την επιλογή βαθμίδας (βαθμίδα Lorentz), που είναι απαραίτητος για την συναλλοίωτη κβάντωση του πεδίου των γλουονίων. Μπορούμε να ξαναγράψουμε την Λαγκρανζιανή στην εξής μορφή L QCD = L free + L qg I + L gg I + L F P g I (1.64) όπου L free = L q free + Lg free + LF P free (1.65) περιέχει τους κινητικούς όρους των πεδίων L q free = i ψ α j γ µ ( µ ) αβ ψ β j m j ψ α j ψ j,α L g free = 1 4 ( µ A ν a ν A µ a)( µ A a ν ν A a µ) 1 2 µ A a µ µ A µ a L F P free = µ ϕ a µ ϕ a (1.66)

30 1.5 Κανόνες Feynman 21 Η Λαγκρανζιανή της αλληλεπίδρασης των γλουονίων, με τα quark, τον εαυτό τους και με τα Faddeev-Popov ghosts είναι ( ) L qg I = ga µ ψ a j α γ µ λa ψ β j 2 αβ L gg I = g 2 ( µ A ν a ν A µ a)a b,µ A c,ν g2 2 f abc f ade A µ b Aν c A d µa e ν L F P g I = gf abc ( µ ϕ a )ϕ b A c µ (1.67) Το νέο στοιχείο σε σχέση με την αβελιανή ΚΗΔ είναι η αλληλεπίδραση του γλουονίου με τον εαυτό του και λόγω αυτού, η εισαγωγή του πεδίου Faddeev-Popov. Η L QCD είναι τοπικά αναλλοίωτη κάτω από το μετασχηματισμό BRST A µ (x) A µ (x) + ω(x)d µ ϕ (1.68) ψ i exp( igω(x) (T ) (ϕ))ψ i (x) (1.69) ϕ ϕ + ω(x) µ A µ (1.7) φ φ 1 gω(x) ϕ ϕ (1.71) 2 όπου ω(x) είναι μια αυθαίρετη παράμετρος. Ο μετασχηματισμός BRST είναι χρήσιμος για την εξαγωγή των ταυτοτήτων Slavnon-Taylor-Ward. Με τη βοήθεια των τελευταίων αποδεικνύεται ότι σε όλες τις τάξεις της θεωρίας διαταραχών το μη εγκάρσιο τμήμα του διαδότη του γλουονίου παραμένει το ίδιο με τον ελεύθερο διαδότη και δεν συμβάλει στην ενεργό διατομή διαφόρων σκεδάσεων. 1.5 Κανόνες Feynman Στα προηγούμενα είδαμε ότι κάθε γραμμή ή κορυφή των διαγραμμάτων Feynman αντιστοιχεί σε κάποιον παράγοντα του αναλλοίωτου πλάτους που πηγάζει από την Λαγκρανζιανή της θεωρίας. Ο Feynman ομαδοποίησε σε μνημονικούς κανόνες αυτούς τους παράγοντες ώστε ο υπολογισμός του M να γίνεται αρκετά απλός, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1.1. Σε αυτούς πρέπει να προσθέσουμε επιπλέον Σε κάθε κλειστό βρόγχο ολοκληρώνουμε ως προς την απροσδιόριστη ορμή d 4 p (2π) 4 Αν ο βρόγχος είναι φερμιονικός πολλαπλασιάζουμε με -1 και πέρνουμε το ίχνος Τέλος να αναφαίρουμε ότι σε κάθε κορυφή διατηρείται η τετραορμή.

31 22 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική Πίνακας 1.1: Κανόνες Feynman για την ΚΗΔ και την ΚΧΔ Multiplicative Factor QED External Lines spin- boson (or antiboson) 1 spin- 1 fermion (in, out) u, u 2 spin- 1 antifermion (in, out) v, v 2 spin-1 photon (in, out) ɛ µ, ɛ µ Internal Lines Propagators spin- boson spin- 1 fermion 2 massive spin-1 boson massless spin-1 boson (Feynman gauge) i p 2 m 2 i( p+m) p 2 m 2 i(g µν p µ p ν /M 2 ) p 2 M 2 ig µν p 2 Vertex Factors photon spin- (charge e) ie(p + p ) µ photon spin- 1 2 QCD (charge e) ieγµ Internal Lines Propagators iδ ab g µν k 2 p a b iδ ab 1 p m

32 1.5 Κανόνες Feynman 23 k a b iδ ab 1 k 2 Vertex Factors a, µ igγ µ T a ij i j b, µ igf abc p µ a c a, µ r p q gf abc [(p q) ρ g µν +(q r) µ g νρ +(r p) ν g ρµ ] c, ρ b, ν a, ρ d, σ ig 2 f abe f cde (g ρν g µσ g ρσ g µν ) ig 2 f ace f bde (g ρµ g νσ g ρσ g µν ) ig 2 f ade f cbe (g ρν g µσ g ρµ g σν ) b, µ c, ν

33 24 Εισαγωγή στη σχετικιστική κβαντομηχανική

34 Κεφάλαιο 2 Επανακανονικοποίηση 2.1 Εισαγωγή Στο προηγούμενο κεφάλαιο μελετήσαμε διαδικασίες σε πρώτη ταξη στη θεωρία διαταραχών.αν προχωρήσουμε στην επόμενη τάξη θα διαπυστώσουμε ότι τα ολοκλήρωματα που εμφανίζονται στους βρόγχους απειρίζονται, οπότε χρειάζεται μια μέθοδος με την οποία θα απαλλαγούμε από τους αφύσικους αυτούς απειρισμούς με έναν συστηματικό και συνεπή τρόπο. Η μέθοδος με την οποία επιτυγχάνουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα ονομάζεται επανακανονικοποίηση (renormalization) και η βασική της ιδέα έγγυται στο γεγονός ότι τα φυσικά μεγέθη (μάζα, φορτίο κλπ) τα οποία εμφανίζονται στην Λαγκρανζιανή της θεωρίας δεν είναι αυτά που παρατηρούνται στο πείραμα, οπότε τα επαναορίζουμε με τέτοιο τρόπο ώστε τα τελικά αποτελέσματα να είναι πεπερασμένα. Ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται αυτό, είναι η πρόσθεση στην Λαγκρανζιανή επιπλέον όρων (counter terms 1 ) ώστε να εξαφανίζονται οι αποκλίσεις. Αποδεικνύεται έτσι ότι μια θεωρία λέγεται επανακανονικοποιήσιμη όταν σε κάθε τάξη της θεωρίας διαταραχών προστίθενται στην Λαγκρανζιανή πεπερασμένος αριθμός από αυτούς τους επιπλέον όρους. Η ενδιάμεση διαδικασία που ακολουθούμε για να φτάσουμε στο τελικό αποτέλεσμα ονομάζεται ομαλοποίηση (regularization) και έχει ως σκοπό τον διαχωρισμό των ολοκληρωμάτων σε ένα πεπερασμένο μέρος και σε ένα που αποκλίνει ώστε να μπορέσουμε να βρούμε τους όρους που εξαλείφουν τους απειρισμούς. Οι φυσικοί ανέπτυξαν πολλούς τρόπους ομαλοποίησης τους οποίους θα σχολιάσουμε παρακάτω: 1)Μέθοδος Pauli-Villars 1 Αυτή η μέθοδος επανακανονικοποίησης ονομάζεται BHPZ από τα ονόματα των Bogoliubov, Parasink, Hepp και Zimmerman

35 26 Επανακανονικοποίηση Στη μέθοδο Pauli-Villars αντικαθιστούμε το διαδότη ως εξής: 1 q 2 m 1 2 q 2 m 1 2 q 2 M 2 όπου M μια αυθαίρετη σταθερά με διαστάσεις μάζας, ενώ διατηρεί το αναλλοίωτο των μετασχηματισμών Lorentz, αλλά δε συμβαίνει και το ίδιο με το αναλλοίωτο βαθμίδας ειδικά στις περιπτώσεις που θεωρούμε ότι τα πεδία έχουν μάζα. 2)Αναλυτική ομαλοποίηση Όπως και στην προηγούμενη μέθοδο έτσι και αυτή έχει το βασικό μειονέκτημα ότι δε διατηρεί τη συμμετρία βαθμίδος της θεωρίας, ενώ συνίσταται στην αντικατάσταση του διαδότη 1 q 2 m 1 2 (q 2 m 2 ) a όπου a είναι μιγαδικός με Rea > 1, ώστε να εξασφαλίζεται η σύγκλιση των ολοκληρωμάτων. Ο αρχικός διαδότης ανακτάται για a 1. 3)Ομαλοποίηση πλέγματος (lattice regularization) Η βασική ιδέα της μεθόδου είναι η αντικατάσταση του χωρόχρονου από ένα κυβικό πλέγμα όπου η απόσταση μεταξύ δύο σημείων είναι a. Βασικό της πλεονέκτημα είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υπολογιστικές μεθόδους (lattice QCD) ενώ διατηρεί ταυτόχρονα τις συμμετρίες βαθμίδος, αλλά όχι και την Lorentz συμμετρία του χωρόχρονου. 4)Διαστατική ομαλοποίηση (dimensional regularization) Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να υπολογίσουμε το ολοκλήρωμα 1 k 2 + m 2 dn k σε έναν 2-διάστατο χώρο (n = 2). Μετά το πέρας των υπολογισμών βλέπουμε ότι το τελικό αποτέλεσμα δεν απειρίζεται, ενώ αν το υπολογίζαμε σε ένα 4-διάστατο χώρο θα εμφάνιζε λογαριθμική απειρία. Αυτή η παρατήριση αποτελεί και τη βασική ιδέα της μεθόδου στην οποία τα διαγράμματα υπολογίζονται σε ένα n-διάστατο χώρο, όπου συνήθως n = 4 2ɛ. Οι απειρίες εμφανίζονται ως πόλοι της μορφής 1/ɛ ενώ αφού κάνουμε τους υπολογισμούς παίρνουμε το όριο ɛ. Η διαστατική ομαλοποιήση μας επιτρέπει να χρησιμοποιήσουμε απλούς αλγεβρικούς κανόνες για τον υπολογισμό των ολοκληρωμάτων που προκύπτουν από τα διαγράμματα Feynman, ενώ δεν εμφανίζονται επιφανειακοί όροι κατά την ολοκλήρωση κατά παράγοντες. Επιπλέον η μέθοδος διατηρεί τη συμμετρία Lorentz του χωρόχρονου και τη συμμετρία βαθμίδος. Παρ' όλα αυτά η μέθοδος έχει και κάποια μειωνεκτήματα, καθώς υπάρχουν μεγέθη που δεν γενικέυονται εύκολα στις n διαστάσεις όπως ο πίνακας γ 5 με αποτέλεσμα αν έχουμε μια θεωρία με άμαζα φερμιόνια που διαθέτει συμμετρία ως προς τη χειραλικότητα (chiral symmetry), αυτή να μην διατηρείται στις n διαστάσεις και ορισμένες φορές ούτε στο όριο ɛ (axial anomaly). Επιπλέον αλλάζει και η διαστατικότητα διαφόρων μεγεθών,όπως το φορτίο του ηλεκτρονίου- για να παραμείνει αδιάστατο στις n διαστάσεις

36 2.2 Διορθώσεις 1 βρόγχου στην ΚΗΔ 27 πολλαπλασιάζεται με μια σταθερά με διαστάσεις μάζας, δηλαδή e eµ 2 n/2 - με αποτέλεσμα αν η 4-διάστατη θεωρία μας είναι αναλλοίωτη κάτω από μετασχηματισμούς κλίμακας (scale invariant), η συμμετρία αυτή να σπάει μετά την ομαλοποιήση (conformal anomaly). Μια άλλη σημαντική συμμετρία που δεν διατηρείται κατά την διαστατική ομαλοποιήση είναι η υπερσυμμετρία -αν και υπάρχει μια παραλλαγή της μεθόδου που την διατηρεί (dimensional reduction)- και αυτό διότι ο αριθμός των μποζονικών και φερμιονικών βαθμών ελευθερίας εξαρτάται από τη διάσταση του χώρου με διαφορετικό τρόπο. Παρακάτω θα χρησιμοποιήσουμε αυτή τη μέθοδο για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων. 2.2 Διορθώσεις 1 βρόγχου στην ΚΗΔ Για να μελετήσουμε τις πιθανές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε δεύτερη τάξη της θεωρίας διαταραχών θα θεωρήσουμε σαν παράδειγμα την σκέδαση ηλεκτρονίουποζιτρονίου. Θα πρέπει να σχεδιάσουμε λοιπόν όλα τα διαφορετικά τοπολογικά διαγράμματα που έχουν τέσσερις κορυφές. Μερικά από αυτά φαίνονται στο Σχ.(2.1). Με Σχήμα 2.1: Μερικά διαδράμματα δεύτερης τάξης της e e + e e + μια γρήγορη ματία παρατηρούμε ότι υπάρχουν τρία χαρακτηριστικά υποδιαγράμματα τα οποιά απεικονίζονται στο Σχ.(2.2). Αυτά έχουν ειδική ονομασία το καθένα, πόλωση Σχήμα 2.2: Οι τρεις κύριοι βρόγχοι που απειρίζονται

37 28 Επανακανονικοποίηση του κενού (vacuum polarization ή photon self-energy), vertex correction και self-energy ηλεκτρονίου. Αν εφαρμόσουμε τους κανόνες Feynman για τον υπολογισμό του αναλλοίοτου πλάτους σε καθένα από αυτά θα έχουμε: ( ) [ d 4 k (2π) T r i 4 k m ( iγ νe) ] i q k m ( iγ µe) (2.1) d 4 k (2π) ( iγ i νe) 4 p k m ( iγ i µe) p k q m ( ıγν e) i (2.2) k 2 d 4 k (2π) ( iγ i µe) 4 p k m ( iγµ e) i (2.3) k 2 Παρακάτω θα ασχοληθούμε με το καθένα από αυτά ξεχωριστά Διαδότης ηλεκτρονίου Ας θεωρήσουμε την συνάρτηση Green δύο σημείων για το ηλεκτρόνιο, που είναι στην ουσία ο διαδότης Feynman του πεδίου. Όπως είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο ο πλήρης διαδότης διαφέρει από αυτόν του ελεύθερου, λόγω της αλληλεπίδρασης του πεδίου με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγει το ίδιο. Για να βρούμε λοιπόν τον πλήρη διαδότη χρησιμοποιούμε την προσέγγιση αλυσίδας (chain approximation) με 1PI διαγράμματα, δηλαδή is F = + 1PI + 1PI 1PI + με iσ(p) = 1PI = Αρα θα έχουμε για τον διαδότη is F (p) = isf (p) + isf (p)( iσ(p))isf (p) +... i = p m Σ(p) (2.4) Η φυσική μάζα του διαδότη ορίζεται ως ο πόλος της Εξ.(2.4). Ας περάσουμε τώρα στον ακριβή υπολογισμό του iσ(p) σε δεύτερη τάξη.

38 2.2 Διορθώσεις 1 βρόγχου στην ΚΗΔ 29 d iσ(p) = (ieµ ε ) 2 n k i ig µν 2π n γµ γ ν p k m k 2 d = e 2 µ 2ε n k γ µ ( p k + m)γ µ 2π n [(p k) 2 m 2 ]k 2 1 d = e 2 µ 2ε n k γ µ ( p k + m)γ µ dα 2π n [α(p k) 2 αm 2 + (1 α)k 2 ] 2 1 d = e 2 µ 2ε n k γ µ ( p k + m)γ µ dα (2.5) 2π n [α(p 2 2pk + k 2 ) αm 2 + (1 α)k 2 ] 2 Ο παρονομαστής, προσθαφαιρώντας α 2 p 2, γίνεται αp 2 + αk 2 2αp αm 2 + k 2 αk 2 ± α 2 p 2 = α(1 α)p 2 + (k αp) 2 αm 2 και με αλλαγή την μεταβλητής (k αp) k και d n k d n k έχουμε για την Εξ.(2.5) iσ(p) = e 2 µ 2ε 1 d n k γ µ [(1 α) p k + m]γ µ dα 2π n [k 2 αm 2 + α(1 α)p 2 ] 2 1 d = e 2 µ 2ε dαγ µ n k [(1 α) p + m]γ µ + e 2 µ 2ε 1 Από το παράρτημα έχουμε για τον πρώτο όρο 2π n 1 [k 2 αm 2 + α(1 α)p 2 ] 2 + d n k γ µ k γ µ dα (2.6) 2π n [k 2 αm 2 + α(1 α)p 2 ] 2 1 d e 2 µ 2ε dαγ µ n k [(1 α) p + m]γ µ = ie 2 2ε Γ(2 n/2) µ (4π) n/2 = ie 2 2ε Γ(2 n/2) µ (4π) n/2 = ie 2 Γ(ɛ) 16π π n 1 [k 2 αm 2 + α(1 α)p 2 ] 2 = dαγ µ [(1 α) p + m]γ µ [αm 2 α(1 α)p 2 ] n/2 2 dα[(1 α) p(2 n) + nm][αm 2 α(1 α)p 2 ] n/2 2 [ ] αm 2 α(1 α)p 2 ɛ dα[(1 α) p(2ɛ 2) + (4 2ɛ)m] (2.7) 4πµ 2 Θέτουμε [ ] αm 2 α(1 α)p 2 ɛ = e ɛln(q(p,m,µ)) 4πµ 2

39 3 Επανακανονικοποίηση με Q(p, m, µ) = αm2 α(1 α)p 2 4πµ 2 και αναπτύσσουμε για ɛ 1 οπότε έχουμε 2 (1/ɛ γ) ie 16π 2 1 dα[(1 α) p(2ɛ 2) + (4 2ɛ)m][1 ɛln(q(p, m, µ))] = = ie2 ( p + 4m) + πεπερασμένοι όροι (2.8) 16π 2 ɛ ενώ ο δεύτερος όρος μηδενίζεται. Επομένως, από τις Εξ.(2.6) και (2.8) έχουμε Πόλωση του κενού iσ(p) = ie2 ( p + 4m) + πεπερασμένοι όροι (2.9) 16π 2 ɛ Όπως και στην περίπτωση του ηλεκτρονίου, έτσι και εδώ μπορούμε να αναπτύξουμε το πλήρη διαδότη σύμφωνα με την προσέγγιση αλυσίδας. Παρ' όλα αυτά θα περάσουμε κατευθείαν στον υπολογισμό της διόρθωσης στον διαδότη. ( ) d iπ µν = ( ieµ ε ) 2 n k (2π) T r i γ n µ k m γ i ν q k m d = e 2 µ 2ε n k T r[γ µ ( k + m)γ ν ( q k + m)] (2.1) (2π) n [(q k) 2 m 2 ](k 2 m 2 ) Με ομαδοποίηση a la Feymann και λίγες πραξεις κατά τα γνωστά έχουμε iπ µν = e 2 µ 2ε 1 dα d n k T r[γ µ ( k + m)γ ν ( q k + m)] (2π) n [(k αq) 2 m 2 + q 2 α(1 α)] 2 Έπειτα κάνουμε την αλλαγή μεταβλητής k αq k και d n k d n k οπότε iπ µν = e 2 µ 2ε 1 dα Για τον αριθμητή έχουμε d n k (2π) n T r [γ µ ( k + αq + m)γ ν ( k (1 α) q + m)] [k 2 m 2 + q 2 α(1 α)] 2 (2.11) N = T r[γ µ ( k + αq + m)γ ν ( k (1 α) q + m)] = T r[γ µ k γ ν k (1 α)γ µ k γ ν q + mγ µ k γ ν + αγ µ qγ ν k α(1 α)γ µ qγ ν q + αmγ µ qγ ν + + mγ µ γ ν k m(1 α)γ µ γ ν q + m 2 γ µ γ ν ] (2.12)

40 2.2 Διορθώσεις 1 βρόγχου στην ΚΗΔ 31 Οι όροι με περιττό αριθμό γ µ μηδενίζονται, ενώ όροι ανάλογοι του γ µ k γ ν q δίνουν ολοκληρώματα τύπου d n k k µ C(q, g µν ) (2π) n [k 2 m 2 + q 2 α(1 α)] = 2 Άρα έχουμε N = [k ρ k σ α(1 α)q ρ q σ ]T r[γ µ γ ρ γ ν γ σ ] + m 2 T r[γ µ γ ν ] = = 2 n/2 {[k ρ k σ α(1 α)q ρ q σ ][g µρ g νσ g µν g ρσ + g µσ g νρ ] + m 2 g µν } = = 2 n/2 {2k µk ν 2α(1 α)q µ q ν [k 2 α(1 α)q 2 m 2 ]g µν } (2.13) Γράφουμε τον όρο α(1 α)q 2 σαν 2α(1 α)q 2 α(1 α)q 2, οπότε καταλήγουμε N = 2 n/2 {2k µk ν 2α(1 α)(q µ q ν q 2 g µν )[k 2 + α(1 α)q 2 m 2 ]g µν } Άρα ο τανυστής γίνεται iπ µν = ( 2 n/2 e 2 µ 2ε ) 1 dα d n k (2π) n k µk ν [k 2 + α(1 α)q 2 m 2 ] 2 2α(1 α)(q µq ν q 2 g µν ) [k 2 + α(1 α)q 2 m 2 ] 2 g µν[k 2 + α(1 α)q 2 m 2 ] (2.14) [k 2 + α(1 α)q 2 m 2 ] 2 Για τον πρώτο όρο της Εξ.(2.14) έχουμε e 2 2 n 2 µ 2ɛ dk k µk ν da (2π) n [k 2 + q 2 α(1 α) m 2 ] = [ 2 = e 2 2 n 2 µ 2ɛ da i( 1) n (4π) n 2 Γ(2) 2 g Γ(1 n) ] 2 µν = [q 2 α(1 α) m 2 ] 1 n 2 ] = e 2 2 n 2 µ 2ɛ dα i( 1) n 2 (4π) n 2 [ g µν Γ(1 n 2 ) [q 2 α(1 α) m 2 ] 1 n 2 (2.15) Για τον δεύτερο όρο είναι [ ] e 2 µ 2ɛ 2 n d 2 [qµ q ν q 2 n k 2(1 α)α g µν ] dα = (2π) n [k 2 + q 2 (1 α)α m 2 ] 2 = e 2 µ 2ɛ 2 2 ɛ [q µ q ν q 2 g µν ] dα 2α(1 α)i( 1) 2 ɛ Γ(ɛ) (4π) 2 ɛ Γ(2) [q2 α(1 α) m 2 ] ɛ = = ie 2 µ 2ɛ 2 2 ɛ [q µ q ν q 2 2α(1 α)γ(ɛ) g µν ] dα [m 2 q 2 α(1 α)] ɛ = (4π) 2 ɛ [ ] = ie2 m 2π [q µq 2 ν q 2 2 q 2 ɛ (1 α) g µν ] dα α(1 α)γ(ɛ) = (2.16) 2πµ 2

41 32 Επανακανονικοποίηση Θέτουμε Q = m2 q 2 (1 α) 2πµ 2 στην Εξ.(2.16) και έχουμε ie 2 2π 2 [q µq ν q 2 g µν ] 1 dα [α(1 α)( 1ɛ ] γ)[1 ɛln(q)] 1 = ie2 2π [q µq 2 ν q 2 g µν ] dαα(1 α)( 1 ɛ γ) 1 ( 1 γ) 6 ɛ = dαα(1 α)( 1 ɛ γ)ɛln(q) = = ie2 [ ] qµ q 12π 2 ν q 2 g µν + O(ɛ ) + O(ɛ) (2.17) ɛ [ γ 2π [q µq 2 ν q 2 g µν ] με O(ɛ ) = ie2 6 [ ] O(ɛ) = ie2 dαα(1 α)γln(q) [q 2π 2 µ q ν q 2 g µν ] ] dαα(1 α)ln(q) και Για τον τρίτο όρο έχουμε 2 n 2 e 2 µ2ɛ = 2 n 2 e 2 µ 2ɛ = 2 n 2 e 2 µ 2ɛ d n k g µν [k + q 2 α(1 α) m 2 ] da = (2π) n [k + q 2 α(1 α) m 2 ] 2 da g µν d n k (2π) n 1 k + q 2 α(1 α) m 2 = da i( 1) n 2 (4π) n 2 Γ(1 n 2 )g µν [q 2 α(1 α) m 2 ] 1 n 2 (2.18) Όπως βλέπουμε ο πρώτος και τρίτος όρος είναι αντίθετοι οπότε αντικαθιστώντας τις Εξ.(2.15)(2.17)(2.18) στην Εξ.(2.14) έχουμε για τον διαδότη iπ µν = ie2 [ ] qµ q 12π 2 ν q 2 g µν + πεπερασμένοι όροι (2.19) ɛ

42 2.2 Διορθώσεις 1 βρόγχου στην ΚΗΔ Διαμόρφωση ρεύματος d ieµ ɛ Λ µ = ( ieµ ɛ ) 3 n k (2π) ig νρ n k γ i 2 ν p k m γ i µ p k m γ ρ d = (ieµ ɛ ) 3 n k γ ν ( p k + m)γ µ ( p k + m)γ ν (2π) n k 2 [( p k) 2 m 2 ][( p k 2 m 2 )] 1 1 α d = 2(eµ ɛ ) 3 n k γ ν ( p k + m)γ µ ( p k + m)γ ν dα dβ (2π) n [k 2 m 2 (α + β) 2k(αp + βp ) + αp 2 + βp 2 ] 3 όπου χρησιμοποιήσαμε τον τύπο 1 abc = 2 1 dα 1 α 1 dβ [a(1 α β) + αb + βc] 3 Προσθαφαιρούμε στον παρονομαστή τους όρους 2αβpp, (αp) 2, (βp ) 2 και έχουμε [(k αp βp ) 2 m 2 (α + β) + p 2 α(1 α) + p 2 β(1 β) 2αβpp ] 3 Έπειτα κάνουμε την αλλαγή k αp βp k οπότε καταλήγουμε 1 α 1 ieµ ɛ Λ µ = 2(eµ ɛ ) 3 dα dβ d n k γ ν [ p (1 β) a p k + m]γ µ [ p(1 α) β p k + m]γ ν = (2π) n [k 2 m 2 (α + β) + α(1 α)p 2 + β(1 β)p 2 2αβp p] 3 1 = 2(eµ ɛ ) 3 dα d n k 1 α dβ (2.2) (2π) n γ ν [...] 1 γ µ [...] 2 γ ν γ ν [...] 1 γ µ k γ ν γ ν k γ µ [...] 2 γ ν + γ ν k γ µ k γ ν [k 2 m 2 (α + β) + α(1 α)p 2 + β(1 β)p 2 2αβp p] 3 (2.21) όπου για συντομία γράφουμε [...] 1 = [ p (1 β) + m α p] και [...] 2 = [ p(1 α) + m β p ] Οι δύο μεσαίοι όροι όπως έχουμε δει και στα προηγούμενα μηδενίζονται οπότε μένουν μόνο ο πρώτος και ο τέταρτος όρος. Ο πρώτος δεν περιέχει k στον αριθμητή και είναι

43 34 Επανακανονικοποίηση εύκολο να δει κανείς ότι δεν απειρίζεται. Οπότε γράφουμε την Εξ.(2.21) στην μορφή Λ µ = Λ (1) µ + Λ (2) µ με Λ (1) 1 α 1 µ = 2i(eµ ɛ ) 2 dα dβ d n k γ ν k γ µ k γ ν (2π) n [k 2 m 2 (α + β) + α(1 α)p 2 + β(1 β)p 2 2αβp p] 3 (2.22) Λ (2) 1 α 1 µ = 2i(eµ ɛ ) 2 dα dβ d n k γ ν [ p (1 β) α p + m]γ µ [ p(1 α) β p + m]γ ν (2π) n [k 2 m 2 (α + β) + α(1 α)p 2 + β(1 β)p 2 2αβp p] 3 (2.23) Ας εξετάσουμε πρώτα τον όρο Λ (1) Λ (1) 1 α µ 1 µ = 2i(eµ ɛ ) 2 dα dβγ ν γ ρ γ µ γ σ γ ν d n k k ρk σ (2π) n [k 2 m 2 (α + β) + α(1 α)p 2 + β(1 β)p 2 2αβp p] 3 (2.24) Θέτουμε m 2 (α + β) α(1 α)p 2 β(1 β)p 2 + 2αβp p = M 2 και γράφουμε 1 1 α Λ (1) µ = 2i(eµ ɛ ) 2 dα dβγ ν γ ρ γ µ γ σ γ [i( 1) ν n 1 g ρσ Γ(2 n) ] 2 2 (4π) n 2 Γ(3) 2 [M 2 ] 2 n 2 1 = 2i(eµ ɛ ) 2 dα 1 = 2i(eµ ɛ ) 2 dα 1 = 2e 2 dα = e2 γ µ 32π 2 1 α { 2 ɛ α 1 α όπου Q = M 2 4πµ 2. Τελικά έχουμε dβ i( 1) n 2 (2 n) 2 γ µ Γ(2 n 2 ) 4(4π) n/2 M 4 n dβ i(2ɛ 2)2 γ µ Γ(ɛ) 4(4π) 2 ɛ M 2ɛ [1 ɛln( M ] 2 4πµ ) 2 dβ (4ɛ2 8ɛ + 4)γ µ ( 1 γ) ɛ 4(4π) 2 1 α } dα dβ [2 + γ + lnq] + όροι μεγαλύτερης τάξης (2.25) Λ (1) µ = e2 γ µ + πεπερασμένοι όροι μεγαλύτερης τάξης (2.26) 16π 2 ɛ Το Λ (2) µ συνεισφέρει στην ανώμαλη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου (για περαιτέρω λεπτομέρειες ανατρέξτε στο παράρτημα).

44 2.2 Διορθώσεις 1 βρόγχου στην ΚΗΔ Ταυτότητα Ward-Takahashi Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα αναλλοίωτο πλάτος M το οποίο έχει 2n εξωτερικές γραμμές ηλεκτρονίων (όχι κατ' ανάγκη on mass-shell) και ένα εισερχόμενο φωτόνιο (μπορεί να έχει και ένα αυθαίρετο αριθμό εξερχόμενων φωτονίων γενικά). Συμβολίζουμε με p i τις n εισερχόμενες ορμές και με q i τις n εξερχόμενες και με k την ορμή του φωτονίου. q q n M(k; p 1,... p n ; q 1... q n ) = k p p n Θέλουμε να βρούμε ένα τρόπο να υπολογίζουμε το πλάτος M από ένα πιο απλό πλάτος M που δεν περιέχει το εισερχόμενο φωτόνιο και είναι ταυτόσημα με το αρχικό. Για να σχηματίσουμε το M = k µ M µ από το M πρέπει να αθροίσουμε όλα τα διαγράματα που συνεισφέρουν στο M και για κάθενα από αυτά τα διαγράματα να αθροίσουμε πάνω σε όλα τα σημεία που μπορούμε να εισάγουμε το φωτόνιο. Αθροίζοντας πάνω σε όλα τα σημεία εισαγωγής έχουμε σχηματικά Σημεία εισαγωγής k µ µ k p 1 q q n.... p n = e i q 1,,q i k, p 1,, p n q 1,, q n p 1,,p i +k, Αθροίζοντας όλα τα παραπάνω διαγράματα που προκύπτουν έχουμε τειλκά k µ M µ = e i [M (p 1... p n ; q 1... (q i k)...) M (p 1... (p i + k)... ; q 1... (q n )] (2.27) Η Eξ.(2.27) ονομάζεται ταυτότητα Ward-Takahashi για τις συναρτήσεις συσχετισμού της ΚΗΔ. Στην ειδική περίπτωση που το M είναι μέρος κάποιου στοιχείου του πίνακα