Luận văn bổ chính một vòng cho mômen từ dị thường của electron trong QED

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ THUẬN MÔMEN TỪ DỊ THƯỜNG CỦA ELECTRON VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THỨ NGUYÊN TRONG ĐIỆN ĐỘNG LỰC HỌC LƯỢNG TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ THUẬN MÔMEN TỪ DỊ THƯỜNG CỦA ELECTRON VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THỨ NGUYÊN TRONG ĐIỆN ĐỘNG LỰC HỌC LƯỢNG TỬ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 60.44.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giáo viên hướng dẫn khoa học: GS TSKH Nguyễn Xuân Hãn Hà Nội LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo, GS TSKH Nguyễn Xuân Hãn, người trực tiếp bảo tận tình, trực tiếp giúp đỡ em suốt thời gian học tập hoàn thành Bản luận văn thạc sĩ khoa h ọc Em gửi lời cảm ơn chân thành tới tất Thầy Cô, Tập thể cán Bộ môn Vật lý lý thuyết, toàn thể người thân, bạn bè giúp đỡ, dạy bảo, động viên, trực tiếp đóng góp, trao đổi ý kiến khoa học quý báu để em hoàn thành Bản luận văn Qua đây, em chân thành gửi lời cảm ơn tới Thầy C« Khoa Vật lý dạy bảo tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em suốt trình học tập hoàn thành Bản luận văn Học viên Phạm Thị Thuận MỤC LỤC MỞ ĐẦU ….4 CHƯƠNG 1: PHƯƠNG TRÌNH PAULI VÀ MÔMEN TỪ CỦA ELECTRON ….7 1.1.Phương trình Pauli …7 1.2 Phương trình Dirac cho electron trường giới hạn phi tương đối tính ….8 1.3 Các bổ tương đối tính cho phương trình Pauli ….11 CHƯƠNG 2: CÁC GIẢN ĐỒ FEYNMAN CHO ĐÓNG GÓP VÀO MÔMEN TỪ DỊ THƯỜNG CỦA ELECTRON ……………………………………………………… 20 2.1 S-ma trận .… 20 2.2 Các giản đồ Feynman cho đóng góp vào mômen từ dị thường … 24 2.3 Hệ số dạng điện từ 25 CHƯƠNG 3: BỔ CHÍNH CHO MÔMEN TỪ DỊ THƯỜNG .… 29 3.1 Bổ cho mômen từ dị thường gần vòng .… 29 3.2 Mômen từ dị thường với bổ lượng tử … 36 KẾT LUẬN .… 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO .… 39 PHỤ LỤC A … 40 PHỤ LỤC B .… 49 PHỤ LUC C .… 50 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Chương I…………………………………………………………………… 21 Hình Phụ luc A…………………………………………………………………… 43 Hình Phụ lục A…………………………………………………………………… 45 MỞ ĐẦU Lý thuyết lượng tử tương tác điện từ hạt tích điện hay gọi điện động lực học lượng tử QED, 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 lượng điện tích electron, QED lý giải thích thành công trình vật lý qua tương tác điện từ, định tính lẫn định lượng Ví dụ dịch chuyển Lamb mức lượng nguyên tử Hydro mômen từ dị thường electron, kết tính toán lý thuyết số liệu thực nghiệm trùng với độ xác cao./1, 4, 6-13, 15,17/ µ= m µeµ em ) ) e0 h ( (me0 → e = µ0 00 RR = | h = c = 2m0 2m0 c Phương trình Dirac cho electron trường điện từ ngoài, tương tác electron với trường điện từ, chứa thêm số hạng tương tác từ tính Cường độ tương tác mô tả mômen từ electron , (và khối lượng “trần” điện tích “trần” electron, - gọi magneton Bohr) Các hiệu ứng phân cực chân không– tính bổ bậc cao theo lý thuyết nhiễu loạn hiệp biến cho mômen từ electron, sau tái chuẩn hóa khối lượng electron điện tích electron dẫn đến đóng góp bổ sung, mà gọi mômen từ dị thường Lưu ý, số R – ký hiệu giá trị lấy từ thực nghiệm −10 µ = 1, 10003875 % µ0 Tuy nhiên, thực nghiệm đo mômen từ electron , giá trị gọi mômen từ dị thường electron J Schwinger /13/ người tính bổ cho mômen từ dị thường electron vào năm 1948 ông thu kết phù hợp với thực nghiệm ( bổ cho mômen từ electron tính giản đồ bậc cao cho QED, sai số tính toán với thực nghiệm vào khoảng ) Biểu thức giải tích mômen từ dị thường electron mặt lý thuyết thu  α α2 α3  µly thuyet = µ0 1 + − 0,32748 + 1,184175  = π π   2π (0.1) = 1, 001159652236 ( 28 ) µ0 µ R = 1, 00115965241( 20 ) µ0 (0.2) Ở giá trị mômen tính lý thuyết theo thuyết nhiễu loạn (0.1) giá trị lấy từ số liệu thực nghiệm (0.2) có trùng khớp với Mục đích luận văn Thạc sĩ khoa học tính bổ vòng cho mômen từ dị thường electron QED Việc loại bỏ phân kỳ trình tính toán giản đồ Feynman, ta sử dụng phương pháp điều chỉnh thứ nguyên, sử dụng rộng rãi lý thuyết trường lượng tử Nội dung Luận văn Thạc sỹ khoa học bao gồm phần mở đầu, ba chương, kết luận, tài liệu tham khảo số phụ lục ( c ) Chương Phương trình Pauli v trình Pauli mômen từ dị thường có mômen từ electron Phương thể thu nhận hai cách: Trong mục 1.1 xuất phát từ phương trình Schrodinger tư tượng luận ta thu phương trình Pauli với số hạng tương tác mômen từ electron với trường / 1/ Mục 1.2 dành cho việc nhận phương trình Pauli việc lấy gần phi tương đối tính phương trình Dirac trường điện từ gần , v – vận tốc hạt, c vận tốc ánh sáng Các bổ tương đối tính cho phương trình Pauli gần bậc cao thu việc sử dụng phép biến đổi Fouldy-Wouthuyen mục 1.3 Chương Các giản đồ Feynman cho đóng góp vào mômen từ dị thường electron Xuất phát từ Lagrangce tương tác electron với trường ta nêu vắn tắt xây dựng S-matrận mục 2.1 cho toán tán xạ electron với trường điện từ Trong mục 2.2 ta phân tích giản đồ Feynman gần vòng đóng góp cho mômen từ dị thường electron Mục 2.3 dành cho việc thảo luận ý nghĩa vật lý hệ số dạng điện từ, đặc biệt gần phi tương đối tính Chương Mômen từ dị thường electron gần vòng Trong mục 3.1 sử dụng phương pháp điều chỉnh thứ nguyên ta tách phần hữu hạn phần phân kỳ cho giản đồ Feynman gần vòng Việc tính biểu thức bổ cho mômen từ dị thường gần vòng tiến hành mục 3.2 Lưu ý, việc tính mômen từ dị thường electron toán phức tạp, Luận văn bước đầu ta thực loạt động tác để đơn giản toán việc bỏ qua phân kỳ hồng ngoại liên quan đến khối lượng photon, bỏ qua việc tái chuẩn hóa khối lượng, điện tích electron, hàm sóng electron trường điện từ liên quan tới đường giản đồ Feynman, tính toán tới phần đóng góp chủ yếu liên quan đến giản đồ đỉnh Feynman cho mômen từ dị thường electron Phần kết luận ta hệ thống lại kết thu thảo luận việc tổng quát hóa sơ đồ tính toán cho lý thuyết tương tự Trong Bản luận văn chúng h = c = sử dụng hệ đơn vị nguyên tử metric Feynman Các véctơ phản biến tọa độ : ( ) r µ r x ν= x = t , x = x, x = y , x = z = ( t , x ) véctơ tọa xµ = g µν x = ( x0 = t , x1 = − x, x2 = − y , x3 = − z ) = ( t , − x ) độ hiệp biến : , Các số Hy Lạp lặp lại có g = g µν µν ngụ ý lấy tổng từ đến CHƯƠNG - PHƯƠNG 1 0   ÷ −1 0 ÷  =  0 −1 ÷  ÷  0 −1 TRÌNH PAULI VÀ MÔMEN TỪ CỦA ELECTRON ( c ) tương tác mômen từ electron Phương trình Pauli số hạng v với trường điện từ thu hai cách: i/ Tổng quát hóa phương trình Schrodinger cách kể thêm spin electron tương tác mômen từ với trường giới thiệu mục 1.1; ii/ Từ phương trình Dirac cho electron trường điện từ ngoài, thực phép gần phi tương đối tính gần bậc ta có phương trình Pauli cho electron với mômen từ Nghiên cứu bổ tương đối tính cho phương trình Pauli gần bậc cao ta phải sử dụng phép biến đổi FouldyWouthuyen 1.1 Phương trình Pauli rr Phương trình Pauli mô tả hạt có ψψ( r(ψs,rzs,zt,)t ) spin ½ chuyển động trường điện từ với điều kiện vận tốc hạt nhỏ nhiều vận tốc ánh sáng Phương trình Pauli có dạng phương trình Schrodinger (khi hạt có spin không), song hàm song phương trình Pauli vô hướng có thành phần phụ thuộc vào biến không gian thời gian, mà chứa biến số spin hạt Kết hàm sóng spinor hai thành phần  r h  ψ  r , + , t ÷÷ r  ÷ = Vì hạt có spin nên cóψ = ψ ( r , sz , t ) h 2ψ  rr, − h , t  ÷  2 ÷÷ mômen từ Từ thực nghiệm    (1.1) hiệu ứng Zeemann mômen từ hạt với spin r r µ = µ0σ , (1.2) r σ0 Pauli Khi đăt hạt vào trường điện từ - magneton Bohr, ma trận µ ngoài, ta có thêm lượng tương tác phụ r r  r e r  e0 h r r ∆U = − µ H =  µ = s ÷= sH mc  2m0 c  ( (1.3) Hamiltonian ) phương trình Schrodinger có dạng (1.4) Nếu hạt trường điện từ r p2 H= + U (r ) 2m0 ngoài, ta phải thực phép thay phương trình Schrodinger r r e r p→ p− A c r r e h rr Kể thêm spin hạt ∆U = E −→ µ HE −=e0ϕ sH 2m0 c (1.5) phương trình mô tả phải có ( ) thêm lượng phụ Kết ta thu phương trình ih r ∂ψ ( r , sz , t ) ∂t   r e0 r  e0 h r r  r = p − A + e ϕ r + U r + sH ψ ( r , s z , t ) ( ) ( )  c ÷ 2m0c   2m0   (1.6) r , vô hướng véc tơ ϕA((r )) trường điện từ Phương trình (1.6) phương trình Pauli, mà nhờ ta giải thích hiệu ứng Zeemann 1.2 Phương trình Dirac cho electron trường giới hạn phi tương đối tính Xuất phát từ phương trình Dirac cho electron trường dạng tắc ta có: (1.7) ih Để nghiên cứu giới  ∂ψ ( x)  r  r e0 r  =  cα  p − A ÷+ e0 A0 + β m0c ψ ( x ) ∂t c     hạn phi tương đối tính cho phương trình (1.7), thuận tiện ta viết spinor hai thành phần (1.8) Như vậy, phương trình ψ  ψ  ψ u =  ÷, ψ d =  ÷, ψ  ψ  ψ  ψ = u÷ ψ d  (1.7) biến thành hệ phương trình  ∂ψ u r r e r = cσ  p − A ÷ψ d + e0 A0 + m0 c ψ u  ∂t c     Trong số u kí r ∂ψ d  r e9  ih = cσ  p − A ÷ψ u + e0 A + m0c ψ d   hiệu “trên” (hai thành ∂t c   (1.9) ih ( ) ( ) phần trên) d – “dưới” (hai thành phần dưới) Kể thêm (1.10) Phương trình thứ hai   v2  (±)  ∂  (±)  ih − e0 A ÷ψ u ,d = m0 c  ±1 + O  ÷ψ u ,d  ∂t   c   hệ (1.9) đưa đến nghiệm dương (+) 10 (3.24) γ ν ( xpˆ1 + ypˆ ) γ µ ( xpˆ1 + ypˆ ) γ ν = ( − d ) ( xpˆ1 + ypˆ ) γ µ ( xpˆ1 + ypˆ ) * = ( − d )  ( xp1 + yp2 ) ( xpˆ1 + ypˆ ) − ( xp1 + yp2 ) γ µ    Thay tất số hạng vừa tính vào công thức (3.19) ta được: µ (3.25) ( ) µ µ 2 µ µ µ N µ =+−(22( −q 2d−) 22mk2µ)kˆγ−µ k+2γ2(µx + (y2) (−qd2 )−42m − 42m xp m1( +x + xp) 1γ+ yp xpˆ11 + ypˆ )) −+( 4xp ypy2 ) ( γp1µ + p2 ) ( ( ) (   (3.26) Như ta tính ba tích phân: d  d 3− Γ3− ÷   d k 1 2  d = −i  ÷ ∫ ( 2π ) d  kd2 −k D ( x, y ) k3 dd  D ( x, y ) ÷ ≡ X = ∫( 2π ) d  k − D ( x, y ) 23 ( 4πd )−2 4 X D ( x, y)  k µ kˆ γµ d dk  ∫ ( 2π ) d  k − D ( x, y )  = d − X D ( x, y )   (3.27) d (3.28) (3.29) Như vậy: ∫ dx ∫ dy X {  −2 ( q 1− x − 2m ) + ( x + y ) ( q − 4m )  γ µ 2( − d ) µ 0 µ −4m ( p1µ + p2µ ) + 4m ( p1 + p2 ) ( x + y ) + γ D ( x, y ) d − ( − d ) d γ µ D x, y + − d  2m x + y xp µ + yp µ − xp + yp γ µ  − ( ) ( ) ( )( ( ) 2)  d −4 Λµ = e µ ε } (3.30) } µ µ 22µ−) −d () 2xp1µ+ yp ( ) γ +( xyp ( 2.+X−4.dm)(−p22m( +q( 2px−+)2µym() x(2 )xp  = e µ ε ∫ dx ∫+dy + + y q − m γ ) ( γ D ( )x, y µ) −4m ( p1µ + p2µ ) + y) +  d −4 0 { 1− x (3.31) Sử dụng đồng thức xp1µ + yp2µ = (3.32) Các số 1 µ µ ( p1 + p2 ) ( x + y ) + ( p2 − p1 ) ( x − y )  ( x − y) hạng phản xứng triệt tiêu sau lấy tích phân theo x y Do vậy: (3.33) Λ µ 1− x 0 ( p1 , p2 ) = −2ie µ ∫ dx ∫ dy.X ( Αγ µ + B ( p1 + p2 ) ε 32 µ ) Mà −4m ( p1µ + p2µ ) = −4m µ µ ( p1 + p2 ) ( x + y ) = −2m ( x + y ) ( p1 + p2 ) * (3.34) * ( − d ) 2m ( x + y ) ( xp1µ + yp2µ ) = ( − d ) m ( x + y ) ( p1 + p2 ) (3.35) Α = −2 ( q − m ) + ( x + y ) ( q − m 2 2 ) ( 2−d) + 4−d µ D ( x, y ) − ( − d ) ( xp1 + yp2 ) Nên (3.36) (3.37) Sử dụng  2−d Β = 2m ( x + y ) + ( − d ) m ( x + y ) = 2m ( x + y ) 1 + ( x + y )    đồng thức Gordon ( p1 + p2 ) (3.38) µ = 2mγ µ − iσ µν qν iσγµνµqν Nhóm số hạng, cuối ta Γ µ ( p1 , p2 ) = γ µ F1 ( q ) + (3.39) F1 ( q (3.40) (3.41) 1− x iσ µν qν F2 ( q ) 2m ) = + 2ie µ ∫ dx ∫ dy.X ( −1) ( Α + 2mB ) F ( q ) = −2ie µ ∫ dx ∫ dy X ( −2mB ) 2 ε 2 ε 1− x Bây ta tính tích 0 phân µε X Trước tiên ta tính (3.42) Với (3.43) d  Γ3 − ÷ d k  ε ε  = − i µ d = − ε ;µ ∫ d d  ( 2π )  k Γ2 −(1D+ (εx), =y )ε Γ  ε ÷ = ε2( 42π−) γ2 +OD( (εx) ,÷y ) 2  2 2ε  số (3.44) d γ aε ; + ε ln a 33 3−  ÷ ÷  d = µε X Vậy ε  ε d 2− 2 Γ 1 + ÷ µ   −i ε ( )  2  ε÷ µε X =  −dγ + O ε y )  D ( x2 , y )2÷ 2−( i4π ) (4επ ) −2 D (( x,) ÷   4πµ  2   = ε ÷  2ε   ε  4πµ x(,εy) ÷ +  Dln( x, y ) ÷ ( ÷÷ ( 4π1 )− γ + D O 2  D ( x, y )  ÷ +  −i   ε →0 = D ( x, y ) ( 4π ) −i −i ε µ X= = 2 2 ( 4π ) D ( x, y ) ( 4π ) m ( x + y ) − xyq (3.45) Cho Do đó: (3.46) Tính (3.47) = 4ime 1− x F2 ( q −i ∫ dx ∫ dy ( 4π ) 0 1− x 0 m ( x + y) ) = −2ie µ ∫ dx ∫ dy.X ( −2mB ) 2 ε  2−d 2m ( x + y ) 1 + ( x + y )    − xyq (3.48) (3.49) Lấy giới hạn cho thì: F2 ( q (3.50) (3.51) (3.52) với ε  ÷( x + y )  2 4m e   →020+ dx ∫ dy εq → = ∫ 2 m ( x + y ) − xyq ( 4π ) 0 2 )=  ( x + y ) 1 +  −1 + 1− x 4e ( 44πe)2 1− x ∫ dx ∫ dy 01 10− x ( x + y ) 1 − ( x + y )  x + y) (   ∫ ∫  x+ y  4π ) 0 (1 4e 4e α = dx x − ln x − = = ( ) ∫ 2 2π 4π ) π ( ( ) Kết cuối e2 = ta tìm (3.53) 3.2 Mômen từ dị thường dx α= dy. − 1÷ 4π e2 F2 (0) = 8π với bổ lượng tử Hiệu ứng hạt tương tác với chân không vật ly cho đóng góp bổ sung vào mômen từ electron Theo công thức mômen từ dị thường (2.32) nhận cuối chương 2, ta có 34 µ1 = (3.54) xác định công r e0 F2 ( ) S m F2 ( ) thức (3.53) Theo công thức (2.33) tổng mômen từ electron r e  F ( 0)  r µ = 1 + S m  F1 ( )  thừa số g xác định (3.55) công thức (2.34)  F ( 0)  g = 1 +  F1 ( )2  e e ta thay , F1 (F02 )( F 0=2)1(0+ 0F1)O( 0( )e0 ) , Như ta có : (3.56) α   g = 1 + ÷  2π  số cấu trúc tinh tế α = e / 4π (3.57) Số hạng thứ hai từ moment từ dị thường biết bổ Schwinger Mômen từ dị thường electron điện động lực học lượng tử tính đến bậc sáu, tương tác yếu kể đến Kết ta có: α α  α  g = 1+ − 0,32848  ÷ + (1,195 ± 0,026)  ÷ 2π  2π  π  Số hạng (3.58) tiên đoán phương trình Di rac vào năm 1928 số hạng thứ hai bổ Schwinger /11/ xuất phát từ giản đồ Feynman Số hạng thứ ba kết tính 18 giản đồ Feynman /12/ số hạng thứ tư tính từ 72 giản đồ Feynman /13/ So sánh với thực nghiệm ta có g theory = + ( 1159651.7 ± 2.2 ) × 10 −9 21 (3.59) g exp t = + ( 1159656.7 ± 3.5 ) × 10−9 Giá trị lý thuyết tính sử dụng số cấu trúc tinh tế /8/ (3.60) = 137.03608(26) α 35 mà nhận từ thực nghiệm qua hiệu ứng Josephson Mômen từ dị thường electron xuất từ tương tác điện từ Mặt khác nucleon, tham gia tương tác mạnh, mà cho đóng góp vượt trội vào mômen từ dị thường Những giá trị lớn ta thấy từ giá trị thực nghiệm mômen từ toàn phần (3.61) µ = e 2.79  M −1.91 M khối lượng ( proton ) ( neutron ) nucleon KẾT LUẬN Trong Bản Luận văn Thạc sĩ khoa học nghiên cứu mômen từ dị thường electron điện động lực học lương tử Việc tính bổ cho mômen từ dựa vào lý thuyết nhiễu loạn hiệp biến qua giản đồ Feynman Những kết chủ yếu Luận văn Thạc sĩ bao gồm 1/ Phương trình Pauli chưa số hạng tương tác mômen từ electron với từ trường ngoài, nhận hai cách: i/ Tổng quát hóa phương trình Schrodinger từ tư tượng luận; ii/ Thực phép gần phi tương đối tính cho phương trình Dirac electron trường điện từ 2/ Sự dị thường mômen từ xuất tương tác electron với chân không vật lý trường điện từ Việc tính bổ cho mômen từ electron qua trình tán xạ electron với trường điện từ theo lý thuyết nhiễu loạn hiệp biến 3/ Sử dụng phương pháp điều chỉnh thứ nguyên tách phần phân kỳ phần hữu hạn số hạng bổ cho mômen từ Phần phân kỳ số hạng bổ gộp vào việc tái chuẩn hóa khối lượng điện tích electron, phần hữu hạn số hạng bổ cho đóng góp vào mômen từ dị thường 36 4/ Kết tính số mômen từ dị thường phù hợp tốt với số liệu thu từ thực nghiệm Những kết thu Luận văn Thạc sĩ sở để nghiên cứu việc tính mômen từ hạt lý thuyết trường phức tạp vật lý hạt mô hình chuẩn mà thống ba bốn loại tương tác nay: điện từ, yếu mạnh , sắc động học lượng tử TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Xuân Hãn (1998), Cơ học lượng tử, NXB ĐHQG, Hà Nội Nguyễn Xuân Hãn (1998), Cơ sở lý thuyết trường lượng tử, NXB ĐHQG, Hà Nội Phạm Phúc Tuyền (2007), Lý thuyết hạt bản, ĐHQG, Hà Nội Hoàng Ngọc Long (2005), Cơ sở vật lý hạt bản, NXB Thống kê, Hà Nội Hà Huy Bằng (2006), Các bổ vòng lý thuyết trường lượng tử, NXB ĐHQG, Hà Nội Tiếng Anh A.I Akhiezer and V.B Berestetski (1959) Quantum Electrodynamics, Moscow N.N Bogoliubov and D V Shirkov, (1976) Introduction tho the Theory of Quantized Fields, Interscience Publihers, rd edition Nauka (in Russian) C.M Cvitanovic and T Kinoshita (1974), Phys Rev D10, 1974, 4007 F Gross (2001), Relativistic Quantum Mechanics and Field Theory, A Wiley – Interescience Publication 37 10 W Greiner and Joachim Reinhardt, (2006) Quantum Electrodynamics, Springer 11 R P Feynman, (1998) Quantum Electrodynamics, Westview Press 12 S Fradkin,(1985) Quantum Field Theory and Quantum Statistics, Adam Hilger, Bristol 13 J Schwinger, (1949) Quantum Electrodynamics II Vacuum Polarization and Self-Energy, Phys Rev 75 (1949) 651 14 C M Summerfield,(1958) Ann Phys N, Y, (1958) 26 15 L H Ryder, (1985),Quantum field theory, Cambridge University Press 16 A Wachter (2010), Relativistic Quantum Mechanics, Springer PHỤ LỤC A PHƯƠNG PHÁP KHỬ PHÂN KỲ BẰNG ĐIỀU CHỈNH THỨ NGUYÊN A.1 Những luận điểm Phương pháp khử phân kỳ điều chỉnh thứ nguyên lần năm 1972 G’t Hoof Veltman[8] sử dụng để chứng minh tính tái chuẩn hóa lý thuyết trường chuẩn không Abel Phương pháp điều chỉnh thứ nguyên bao gồm bước sau: 1/ Tích phân theo đa tạp 4- chiều n = 4ε − 2ε xung lượng ảo thay tích phân ký hiệu tương ứng việc lấy tích phân theo không gian chiều Trong coi đại lượng dương xác định, phép lấy tích phân thực n số không nguyên Trong phép lấy giới hạn có ngầm định: m = m − 1δ (δ → +0) Trong không gian Euclide việc đưa phép khử phân kỳ điều chỉnh thứ nguyên có nghĩa: (A.1) ∫ ( d p) E = ∫ Ω (4) ∞ d Ω ∫ p dp → ∫ d p ≡ µ n 38 2ε ∫ Ω( n) ∞ d Ω ∫ p n −1dp, Ω(n) không gian n chiều ngoại suy Ở thể tích hình cầu đơn vị từ hàm Gamma Euler: n 2π Ω(n) =µ Tham số có thứ nguyên n Γ ÷ 2 thứ nguyên khối lượng đưa vào suy luận từ bảo toàn thứ nguyên chung 2/Các phép biến đổi tham số Feynman: 1 = ∫ dx ab 1− x [ax + b(1 − x)]2 1 (A3) = ∫ dx ∫ dy abc  a − x − y + bx + cy  ( ) 0   3/Tính tích phân (A2) theo xung lượng: Ta áp dụng số công thức ví dụ như: (A4) 4/Thác triển giải tích cho , ta ∫ n (p d p − pk + l ) m n  Γ m − ÷ 2 m = (−1) iπ0  ε→ Γ ( m) n (k −l) m− n tách phần hữu hạn phần phân kỳ tích phân ban đầu A.2 Các tọa độ cầu không gian n-1 thứ nguyên Các phép lấy tích phân −1 d nK K thực từ tọa độ đến tọa độ cầu kéo theo (n -2) biến số góc Nhận thấy phương trình biến đổi K1 = K cos θ1 K = K sin θ1 cos θ = Kθ 2sin θ θcos θ3 θ n− K n− = K sinKθ31 sin sinθθ13sin sin n −3 cos (A.5) Jacobian cần thiết cho ta K n−1 = K sin θ1 sin θ sin θ3 sin θ n −3 sin θ n −2 ≤ θi ≤ π n −1 ∫d K = ∫ K n−2 i = 1, 2,3, , n − ≤ θ n− ≤ 2π sin n−3 θ1 sin n− θ sin θ n− sin θ n−3dθ1dθ dθ n−2 d K (A.6) 39 p.K = EK − p K cosθ = K E ( − β cos θ ) (A.7) θ quan tâm phụ thuộc vào , góc Vì biểu thức dấu tích phân mà ta K p n-1 thành phần K vector, qua hệ thức liên hệ 1  Γ  ( m + 1) ÷ m 2  Mà đưa đến ∫0 sin θ dθ = π   Γ  ( m + 2) ÷ n −1 2  π (A.9) π n− n −1 d K= d K K sin n−3 θ dθ ∫ ∫ ∫   Hay qua biến Γ  n −x1÷= c0osθ 2  n −1 1 (A.10) 2π n− 2 n−2 d K dx K − x ( ) ∫ 1 ∫ −1 Γ  n − 1÷  A.3 Mô hình tự tương  Lint = gϕ (A.8) π tác trường vô hương Để minh họa phương pháp điều Lint ϕ = gϕ chỉnh phân kỳ tử ngoại điều chỉnh thứ nguyên xem xét mô hình toán học tương tác đơn giản Trong g- số tương tác, trường thực vô hướng Giản đồ lượng riêng Theo quy tắc đối ứng Feynman giản đồ lượng riêng mô hình tương ứng với tích phân đơn giản sau đây: (A.11) Tương ứng I ( k) : i dp π ∫ ( m − p − iε )  m − ( p − k ) − iε    với giản đồ vòng Feynman với khai đường vô hướng (xem hình 2) p p-k Hình.2 Chuyển từ chiều sang n chiều ( n = − 2ε với ) ta viết: 40 p i µ 2ε dnp ∫ 2 2 iπµ 2ε ( m − p ) m d n p− ( p − k ) = ∫ π ( p − m2 ) ( p − k ) − m I (k ) → regε J (k ) = (A.12) Áp dụng ( ( ) ) công thức tham số hóa Feynman 1 (A.13) = dx ab ∫0  ax 2+ b ( − x2)  2 a = ( p − k ) − m , b = p − m Với Ta i µ 2ε dnp regε J (k ) = ∫ dx ∫ π iµ 2ε p − k − m  xd+n p p − m − x (A.14) ( )( ) = (∫ dx ∫ )  2 2 π { p − pkx + k x − m } Áp dụng tích { } phân: Với ∫ ta n  Γ m − ÷ d pm = 2, l = k xm − m ,  k ' =2kx = ( −1) iπ m n m− Γ ( m) p − pk '+ lb ) ( k ' −l) n 2 n ( n  Γ2 − ÷ 2 i µi µ ∫ ( −2−1ε ) Γ (πε )  ε regε J ( k=) = i dx 2µ) (π )   22 ε 2− n2 (A.15) 2 π=π2−Γ (0ε ) dx 1 ∫0 Γ (( m ∫0 aε π= {1m+2ε−lnxa( 1−−{xkx( 1) xk−2x}+)mk ) − k x} Sử dụng công   2ε 2ε n thức khai triển: Ta có: ε     µ2 µ2   = + ε ln =  2 22 22  m − x − 2x k   π ( )   { } π { m − x − x k } π m − x − x k ( ) ( )  { }   = − ε ln   = − ε ln   − ε ln π 2 µ µ     − γ + O(ε ) ε γ = 0.5772 (A.16) Γ(ε ) = Trong số Euler 41 Mascheroni  m2 − x ( − x ) k    1  regε J ( k ) = −  − γ + O ( ε ) ÷∫ dx 1 − ε ln   − ε ln π  µ ε      ε → 0+ Cho ta có regε J ( k ) = − + I huu han ( ε ) Trong  m −ε x ( − x ) k  I huu han ( ε ) = ∫ dx ln   + ln π + γ µ2 (A.17)   Như phương pháp khử phân kỳ điều chỉnh thứ nguyên phần kỳ dị tích phân ( phân kỳ loga vùng ε tử ngoại) có cực tách thành phần riêng Một vấn đề đặt ra: liệu sử dụng phương pháp khử phân kỳ tử ngoại điều chỉnh thứ nguyên, để tiếp tục khử phân kỳ hồng ngoại QED photon bị xạ hay hấp thụ có lượng thấp khối lượng nghỉ không hay không? Giản đồ đỉnh Giản đồ đỉnh tương ứng với tích phân sau Γ ( p, k ) = dq 1 × × 2 ∫ 2 iπ m − q m − ( q + k ) m − ( q − p ) ( q −1+q kp ) tam giác liên quan đến đỉnh có ba đường – đường có xung (A.18) q 2kp) 22 m2 m − ( q− − + lượng - hàm truyền vô hướng , đường khác có xung lượng - hàm truyền vô hướng , đường lại có xung lượng là- hàm truyền vô hướng q k+q k p 42 p-k p+q Hình.3 Viết lại tích phân dạng: (A.19) Γ ( p, k ) = dq 1 × × iπ ∫ m − q m − ( q + k ) m − ( q − p ) = i dq 1 × × 2 ∫ 2 π q − m ( q + k ) − m ( q − p ) − m2 Áp dụng phương pháp điều chỉnh thứ nguyên: i µ 2ε Γ ( p, k ) → regε I ( p, k ) = π ∫ (q d nq − m ) ( q + k ) − m   ( q − p ) − m     2 (A.20) Sử dụng công thức tham số hóa Feynman: 1− x Với (A.21) = dx dy ∫ ∫ abc  a (21 − x −2 y ) + bx + cy  0 a=q −m b = ( q + k ) − m2 c = ( q − p ) − m2 Ta có a ( − x − y ) + bx + cy = = ( q − m ) ( − x − y ) + ( q + k ) − m  x +  ( q − p ) − m  y     = q − 2q ( py − kx ) + k x + p y (A.22) Tích phân (A.20) viết lại: regε I ( p, k ) = 1− x 2i µ 2ε n dx dy d q π ∫0 ∫0 ∫  q − 2q ( py − kx ) + k x + p y  (A.23) Áp dụng công thức: (A.24) ∫ n (p d p − pk '+ l ) m n  Γ m − ÷ 2  = (−1) m iπ Γ ( m) n 43 ( k '2 − l ) m− n m=3 Với Ta được: regε I ( p, k ) = 2i µ 2ε π2 3− [( py − kx) − k x − p y ] 2 n π 2−ε Γ ( + ε ) 1+ε 2 2 1+ε π  0 py − kx − k x − p y   ( )  π 1− x µ2  ÷ = ∫ dx ∫ dy Γ ( + ε )  π ( py − kx ) − k x − p y  ÷ µ 0 ÷    1− x = µ 2ε ∫ dx ∫ dy (A.25) Khai triển l = k x + p2 y k ' = py − kx n 1− x n Γ (3 − ) ∫0 dx ∫0 dy (−1) iπ Γ(3)2 1  Γ(1 + ε ) = εΓ(ε ) = ε  − γ + O(ε ) ÷ = ( − εγ + ε O(ε ) ) ε  1+ε     µ2 µ2  ÷ = + ( + ε ) ln  ÷ 2 ÷  π ( py − kx ) − k x − p y  ÷   ÷  π ( py − kx ) − k x − p y ÷       (A.26)  π ( py − kx ) − k x − p y   ÷ = − ( + ε ) ln    µ ÷− kx ) − k x − p y      π ( py ÷ 1− x   π   ÷ regε I ( p, k ) = ∫ dx ∫ dy ( − εγ + ε O (ε ) ) 1 − (1 + ε ) ln     ÷ µ 0 µ ÷     (A.27) (A.28) Cho ta thấy tích phân hữu hạn ε → 0+   π ( py − kx ) − k x − p y    π 1− x   ÷ regε I ( p, k ) = dx ∫ dy 1 − ln    ∫  ÷ Kết 2µ 0 µ  ÷     luận: với (A.29) toán hàm đỉnh hạt vô hướng tích phân (C.8) không phân kỳ mà lượng hữu 44 hạn Phụ lục B Một số hệ thức với ma trận Dirac µ ν µν (B.1) { γ , γ } = 2g (B.2) δ µµ = d (B.3) γ µ γ µ = d (B.4) γ µ γ ν γ µ = ( − d ) γ ν (B.5) γ µ γ ρ γ σ γ µ = g ρσ + ( d − ) γ ρ γ σ (B.6) γ µ γ ρ γ σ γ ν γ µ = −2γ ν γ σ γ ρ + ( − d ) γ ρ γ σ γ ν Tr(ood number of Dirac matrices)=0, (B.8) Tr ( γ µ γ ν ) = dg µν (B.9) Tr ( γ µ γ ρ γ ν γ σ ) = d ( g µρ gνσ − g µν g ρσ + g µσ gνρ ) 45 (B.7) Phụ lục C Một số công thức tích phân vòng điều chỉnh thứ nguyên (C.1) d  d iΓ  α − ÷ α− d p 1   (C.2) d  α −1  µν  = d −1 ig Γd  α − −1M d µ 2ν ÷ α − −1 d∫ ÷ (α )   π ) p( pp − M= ) Γ ( αd)2 (C.3) d p( α −(1 4π )     d ÷ ∫ ( 2dπd) pd p − pM2 α ( −1) id Γd2  α − − 1÷ M (d ) α = ( 4π ) d 2Γ ( α )   ÷α− −1 ∫ ( 2π ) p − M M  ( ) 4π 2Γ α d ( −1) ( 46 α ) ( ) [...]... FEYNMAN CHO ĐÓNG GÓP VÀO MÔMEN TỪ DỊ THƯỜNG CỦA ELECTRON 19 Xuất phát từ Lagrance tương tác của Aµext ( x ) electron với trường ngoài ta viết Smatrận tương ứng ở mục 2.1 cho bài toán tán xạ electron với trường điện từ ngoài Trong mục 2.2 ta phân tích các giản đồ Feynman trong gần đúng một vòng cho đóng góp vào mômet từ dị thường của electron Mục 2.3 dành cho việc thảo luận ý nghĩa vật lý của hệ số... quát hóa phương trình Schrodinger từ tư duy hiện tượng luận; ii/ Thực hiện phép gần đúng phi tương đối tính cho phương trình Dirac của electron trong trường điện từ ngoài 2/ Sự dị thường của mômen từ xuất hiện do tương tác của electron với chân không vật lý của trường điện từ Việc tính bổ chính cho mômen từ electron qua quá trình tán xạ của electron với trường điện từ ngoài theo lý thuyết nhiễu loạn... trong đó là phần dị thường của mômen từ của electron mà nó không thể giải thích trong khuôn khổ của cơ học lượng tử Nguyên nhân chủ yếu là cơ học lượng tử mới chỉ xem xét tương tác của electron với trường ngoài chứ chưa xem xét tương tác của electron với chân không vật lý của trường điện từ Việc kể thêm tương tác của electron với chân không vật lý của trường điện từ sẽ dẫn đến số hạng bổ sung cho mômen, ... S Bu1 m hiệu ứng của mômen từ bổ xung 27 µ1 = (2.32) Số hạng này gọi là mômen từ dị r e0 F2 ( 0 ) S m thường Tổng mômen như vậy bằng (2.33) r e  F ( 0)  r µ = 1 + 2 S m  F1 ( 0 )  Và nhân tử g được xác định  F ( 0)  g = 2 1 + 2  eh Thừa số 2 xuất phát từ việc biểu F1 ( 0 )   / 2mc diễn mômen từ qua đơn vị magneton CHƯƠNG 3 - BỔ CHÍNH CHO MÔMEN TỪ DỊ THƯỜNG Mômen từ của electron theo lý... được từ thực nghiệm qua hiệu ứng Josephson Mômen từ dị thường của electron xuất hiện từ tương tác điện từ Mặt khác các nucleon, tham gia tương tác mạnh, mà nó cho đóng góp vượt trội vào mômen từ dị thường Những giá trị này khá lớn như ta thấy từ các giá trị thực nghiệm của các mômen từ toàn phần (3.61) µ = e 2.79  M −1.91 trong đó M là khối lượng ( proton ) ( neutron ) của nucleon KẾT LUẬN Trong. .. neutron ) của nucleon KẾT LUẬN Trong Bản Luận văn Thạc sĩ khoa học chúng tôi nghiên cứu mômen từ dị thường của electron trong điện động lực học lương tử Việc tính bổ chính cho mômen từ dựa vào lý thuyết nhiễu loạn hiệp biến qua giản đồ Feynman Những kết quả chủ yếu của Luận văn Thạc sĩ bao gồm 1/ Phương trình Pauli chưa số hạng tương tác giữa mômen từ của electron với từ trường ngoài, nhận được bằng hai... (3.53) 3.2 Mômen từ dị thường cùng 2 dx α= dy. − 1÷ 4π e2 F2 (0) = 2 8π với các bổ chính lượng tử Hiệu ứng của hạt tương tác với chân không vật ly sẽ cho đóng góp bổ sung vào mômen từ của electron Theo công thức mômen từ dị thường (2.32) nhận được ở cuối chương 2, ta có 34 µ1 = (3.54) trong đó được xác định bằng công r e0 F2 ( 0 ) S m F2 ( 0 ) thức (3.53) Theo công thức (2.33) tổng mômen từ của electron. .. lượng bay vào vùng có trường điện từ bị tán xạ bay ra với xung lượng ở gần đúng bậc thấp nhất Các giản đồ mô tả các bổ chính bậc cao cho tương tác của electron với chân không vật lý- chân 21 không của trường điện từ và chân không của trường electron- pozitron Trong bản luận văn này chúng ta chỉ giới hạn các giản đồ Feynman (a) và (b1) cho đóng góp vào mômen từ dị thường của electron, còn ba giản đồ còn lại... dụng phương pháp điều chỉnh thứ nguyên và cuối cùng tôi thu được kết quả phù hợp với thực nghiệm Trong mục 3.1 tôi trình bày tính toán bổ chính cho mômen từ trong gần đúng một vòng bằng phương pháp điều chỉnh 28 thứ nguyên 3.1 Bổ chính cho mômen dị thường trong gần đúng một vòng Từ giản đồ Feynman bậc hai trong Hình 1, ta có ( −ie ) d 4 q iD% k γ ν iS% p − k γ µ iS% p − k γ ( p1 , p2 ) = ) ) ν F ( )... biến 3/ Sử dụng phương pháp điều chỉnh thứ nguyên chúng tôi đã tách được phần phân kỳ và phần hữu hạn của số hạng bổ chính cho mômen từ Phần phân kỳ của số hạng bổ chính được gộp vào việc tái chuẩn hóa khối lượng và điện tích của electron, còn phần hữu hạn của số hạng bổ chính cho đóng góp vào mômen từ dị thường 36