luận văn thạc sĩ momen từ dị thường của electron và phương pháp điều chỉnh thứ nguyên trong điện động lực học lượng tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ THUẬN MÔMEN TỪ DỊ THƢỜNG CỦA ELECTRON VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THỨ NGUYÊN TRONG ĐIỆN ĐỘNG LỰC HỌC LƢỢNG TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ THUẬN MÔMEN TỪ DỊ THƢỜNG CỦA ELECTRON VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THỨ NGUYÊN TRONG ĐIỆN ĐỘNG LỰC HỌC LƢỢNG TỬ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 60.44.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: GS TSKH Nguyễn Xuân Hãn Hà Nội - 2012 z MỤC LỤC MỞ ĐẦU ….4 CHƢƠNG 1: PHƢƠNG TRÌNH PAULI VÀ MƠMEN TỪ CỦA ELECTRON ….7 1.1.Phƣơng trình Pauli …7 1.2 Phƣơng trình Dirac cho electron trƣờng ngồi giới hạn phi tƣơng đối tính ….8 1.3 Các bổ tƣơng đối tính cho phƣơng trình Pauli ….11 CHƢƠNG 2: CÁC GIẢN ĐỒ FEYNMAN CHO ĐĨNG GĨP VÀO MƠMEN TỪ DỊ THƢỜNG CỦA ELECTRON ……………………………………………………… 20 2.1 S-ma trận … 20 2.2 Các giản đồ Feynman cho đóng góp vào mơmen từ dị thƣờng … 24 2.3 Hệ số dạng điện từ 25 CHƢƠNG 3: BỔ CHÍNH CHO MƠMEN TỪ DỊ THƢỜNG … 29 3.1 Bổ cho mơmen từ dị thƣờng gần vịng … 29 3.2 Mơmen từ dị thƣờng với bổ lƣợng tử … 36 KẾT LUẬN … 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO … 39 PHỤ LỤC A … 40 PHỤ LỤC B … 49 PHỤ LUC C … 50 z DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Chƣơng I…………………………………………………………………… 21 Hình Phụ luc A…………………………………………………………………… 43 Hình Phụ lục A…………………………………………………………………… 45 z luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu MỞ ĐẦU Lý thuyết lƣợng tử tƣơng tác điện từ hạt tích điện hay cịn gọi điện động lực học lƣợng tử QED, đƣợc xây dựng hoàn chỉnh Sự phát triển QED liên quan đến đóng góp Tomonaga, J Schwinger, R Feynman Dựa vào lý thuyết nhiễu loạn hiệp biến tác giả nêu với việc tái chuẩn hóa khối lƣợng điện tích electron, QED lý giải thích thành cơng q trình vật lý qua tƣơng tác điện từ, định tính lẫn định lƣợng Ví dụ nhƣ dịch chuyển Lamb mức lƣợng nguyên tử Hydro mômen từ dị thƣờng electron, kết tính tốn lý thuyết số liệu thực nghiệm trùng với độ xác cao./1, 4, 6-13, 15,17/ Phƣơng trình Dirac cho electron trƣờng điện từ ngoài, tƣơng tác electron với trƣờng điện từ, chứa thêm số hạng tƣơng tác từ tính Cƣờng độ tƣơng tác đƣợc mơ tả mơmen từ electron  ,  e0 e  0  ( m0 e0 khối lƣợng “trần” điện tích “trần” |   c  2m0 2m0c electron, 0 - gọi magneton Bohr) Các hiệu ứng phân cực chân khơng– tính bổ bậc cao theo lý thuyết nhiễu loạn hiệp biến cho mômen từ electron, sau tái chuẩn hóa khối lƣợng electron  m0  mR  điện tích electron  e0  eR  dẫn đến đóng góp bổ sung, mà đƣợc gọi mơmen từ dị thƣờng Lƣu ý, số R – ký hiệu giá trị đƣợc lấy từ thực nghiệm Tuy nhiên, thực nghiệm đo đƣợc mômen từ electron   1,003875 0 , giá trị đƣợc gọi mômen từ dị thƣờng electron J Schwinger /13/ ngƣời tính bổ cho mơmen từ dị thƣờng electron vào năm 1948 ông thu đƣợc kết phù hợp với thực nghiệm ( bổ cho mơmen từ electron tính giản đồ bậc cao cho QED, sai số tính tốn với thực nghiệm vào khoảng z luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu 1010 % ) Biểu thức giải tích mơmen từ dị thƣờng electron mặt lý thuyết thu đƣợc  ly thuyet  0 1    2 3   0,32748  1,184175   2    (0.1)  1,001159652236  28 0 R  1,00115965241 20 0 (0.2) Ở giá trị mômen đƣợc tính lý thuyết theo thuyết nhiễu loạn (0.1) giá trị đƣợc lấy từ số liệu thực nghiệm (0.2) có trùng khớp với Mục đích luận văn Thạc sĩ khoa học tính bổ vịng cho mơmen từ dị thƣờng electron QED Việc loại bỏ phân kỳ q trình tính toán giản đồ Feynman, ta sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh thứ nguyên, đƣợc sử dụng rộng rãi lý thuyết trƣờng lƣợng tử Nội dung Luận văn Thạc sỹ khoa học bao gồm phần mở đầu, ba chƣơng, kết luận, tài liệu tham khảo số phụ lục Chƣơng Phƣơng trình Pauli mơmen từ electron Phƣơng trình Pauli mơmen từ dị thƣờng thu nhận hai cách: Trong mục 1.1 xuất phát từ phƣơng trình Schrodinger tư tượng luận ta thu đƣợc phƣơng trình Pauli với số hạng tƣơng tác mơmen từ electron với trƣờng ngồi /1/ Mục 1.2 dành cho việc nhận phƣơng trình Pauli việc lấy gần phi tƣơng đối   tính phƣơng trình Dirac trƣờng điện từ ngồi gần v c , v – vận tốc hạt, c vận tốc ánh sáng Các bổ tƣơng đối tính cho   phƣơng trình Pauli gần bậc cao v c thu đƣợc việc sử dụng phép biến đổi Fouldy-Wouthuyen mục 1.3 z luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu Chƣơng Các giản đồ Feynman cho đóng góp vào mơmen từ dị thƣờng electron Xuất phát từ Lagrangce tƣơng tác electron với trƣờng ta nêu vắn tắt xây dựng S-matrận mục 2.1 cho toán tán xạ electron với trƣờng điện từ Trong mục 2.2 ta phân tích giản đồ Feynman gần vịng đóng góp cho mơmen từ dị thƣờng electron Mục 2.3 dành cho việc thảo luận ý nghĩa vật lý hệ số dạng điện từ, đặc biệt gần phi tƣơng đối tính Chƣơng Mơmen từ dị thƣờng electron gần vòng Trong mục 3.1 sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh thứ nguyên ta tách phần hữu hạn phần phân kỳ cho giản đồ Feynman gần vịng Việc tính biểu thức bổ cho mơmen từ dị thƣờng gần vòng đƣợc tiến hành mục 3.2 Lƣu ý, việc tính mơmen từ dị thƣờng electron toán phức tạp, Luận văn bƣớc đầu ta thực loạt động tác để đơn giản toán việc bỏ qua phân kỳ hồng ngoại liên quan đến khối lƣợng photon, bỏ qua việc tái chuẩn hóa khối lƣợng, điện tích electron, hàm sóng electron trƣờng điện từ ngồi liên quan tới đƣờng giản đồ Feynman, tính tốn tới phần đóng góp chủ yếu liên quan đến giản đồ đỉnh Feynman cho mômen từ dị thƣờng electron Phần kết luận ta hệ thống lại kết thu đƣợc thảo luận việc tổng qt hóa sơ đồ tính tốn cho lý thuyết tƣơng tự Trong Bản luận văn sử dụng hệ đơn vị nguyên tử   c  metric Feynman Các véctơ phản biến tọa độ :  x    x0  t , x1  x, x  y, x3  z    t , x   véctơ tọa độ hiệp biến : x  g x   x0  t , x1   x, x2   y, x3   z   t ,  x  , g   g  1 0    1 0    0 1     0 1 Các số Hy Lạp lặp lại có ngụ ý lấy tổng từ đến z luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu CHƢƠNG - PHƢƠNG TRÌNH PAULI VÀ MƠMEN TỪ CỦA ELECTRON Phƣơng trình Pauli số hạng tƣơng tác mômen từ electron với trƣờng điện từ ngồi thu đƣợc hai cách: i/ Tổng qt hóa phƣơng trình Schrodinger cách kể thêm spin electron tƣơng tác mômen từ với trƣờng đƣợc giới thiệu mục 1.1; ii/ Từ phƣơng trình Dirac cho electron   trƣờng điện từ ngồi, thực phép gần phi tƣơng đối tính gần bậc v c ta có phƣơng trình Pauli cho electron với mômen từ Nghiên cứu bổ tƣơng đối tính cho phƣơng trình Pauli gần bậc cao ta phải sử dụng phép biến đổi Fouldy-Wouthuyen 1.1 Phƣơng trình Pauli Phƣơng trình Pauli mơ tả hạt có spin ½ chuyển động trƣờng điện từ với điều kiện vận tốc hạt nhỏ nhiều vận tốc ánh sáng Phƣơng trình Pauli có dạng phƣơng trình Schrodinger (khi hạt có spin khơng), song hàm song   phƣơng trình Pauli khơng phải vơ hƣớng có thành phần   r , t  phụ thuộc vào biến khơng gian thời gian, mà cịn chứa biến số spin hạt s z  Kết hàm sóng   r , sz , t  spinor hai thành phần        r ,  , t          r , sz , t           r ,  , t      (1.1) Vì hạt có spin nên có mơmen từ Từ thực nghiệm hiệu ứng Zeemann mômen từ hạt với spin    (1.2)   0 ,  0 - magneton Bohr,  ma trận Pauli Khi đăt hạt vào trƣờng điện từ ngồi, ta có thêm lƣợng tƣơng tác phụ z luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu  e   e0    U    H     s sH mc  2m0c    (1.3) Hamiltonian phƣơng trình Schrodinger có dạng H  p2  U (r ) 2m0 (1.4) Nếu hạt trƣờng điện từ ngồi, ta phải thực phép thay dƣới phƣơng trình Schrodinger   e  p p A c E  E  e0 (1.5) Kể thêm spin hạt phƣơng trình mơ tả phải có thêm lƣợng phụ  e   U    H  sH Kết ta thu đƣợc phƣơng trình 2m0c   i    r , sz , t  t    e0  2 e     p  A   e0  r   U  r   sH   r , sz , t   c  2m0c  2m0   (1.6)    r  , A(r ) vô hƣớng véc tơ trƣờng điện từ Phƣơng trình (1.6) phƣơng trình Pauli, mà nhờ ta giải thích đƣợc hiệu ứng Zeemann 1.2 Phƣơng trình Dirac cho electron trƣờng ngồi giới hạn phi tƣơng đối tính Xuất phát từ phƣơng trình Dirac cho electron trƣờng ngồi dạng tắc ta có: i   ( x)     e0    c  p  A   e0 A0   m0c  ( x) t c     (1.7) Để nghiên cứu giới hạn phi tƣơng đối tính cho phƣơng trình (1.7), thuận tiện ta viết spinor hai thành phần     u   ,  d   ,         u   d  z luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu (1.8) luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu Nhƣ vậy, phƣơng trình (1.7) biến thành hệ phƣơng trình   u   e   c  p  A  d  e0 A0  m0c  u  t c       d   e9  i  c  p  A  u  e0 A  m0c  d   t c    i   (1.9)  Trong số u kí hiệu “trên” (hai thành phần trên) d – “dƣới” (hai thành phần dƣới) Kể thêm   v2  ( )    ()  i  e0 A  u ,d  m0c  1  O    u ,d  t   c   (1.10) Phƣơng trình thứ hai hệ (1.9) đƣa đến nghiệm dƣơng (+)  d   v2     e0   (  )   p  A  u  O   2m0c  c  (1.11) c  Cịn phƣơng trình đầu hệ (1.9) đƣa đến nghiệm âm (-)  u(  )    v2     e0   ( ) p  A   O  2   d 2m0c  c  (1.12) c  Điều có nghĩa nhƣ sau: trƣờng hợp nghiệm dƣơng spinor  d liên hệ với  u trƣờng hợp nghiệm âm spinor  u liên hệ với  d thừa số  v c  Thay (1.11) (1.12) vào phƣơng trình cịn lại (1.9) nghiệm dƣơng ta có      u  O (v / c )  i  d    t  2m0   v3       e     p  A  m c  eA  O    u    c     c   Và nghiệm âm  O (v / c )   d     z luan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tuluan.van.thac.si.momen.tu.di.thuong.cua.electron.va.phuong.phap.dieu.chinh.thu.nguyen.trong.dien.dong.luc.hoc.luong.tu (1.13)