Obraz oddziaływania W obrazie Schrödingera stany ewoluują
Transkrypt
Obraz oddziaływania W obrazie Schrödingera stany ewoluują
Obraz oddziaływania W obrazie Schrödingera stany ewoluują, operatory nie. H = H0 + H1 i∂t |α(t)iS = H |α(t)iS Definiujemy operatory w obrazie oddziaływania (interakscji, Tomonagi): iH0S t I O (t) = e S −iH0S t O e , H0I = H0S = H0 S |α(t)iI = eiH0 |α(t)iS . Równanie Schrödingera: I i∂t |α(t)i = = S S iH0S iH0S −H0 e |α(t)i + e i∂t |α(t)iS S S S S 0 t eiH0 |α(t)i −H0S |α(t)iI + eiH0 He|−iH{z } =1 ¡ ¢ I −H0I + H I |α(t)i = H1I |α(t)iI . = Równanie na operatory: ³ S ´ S i∂tOI (t) = i∂t eiH0 tOS e−iH0 t = −H0S OI (t) + OI (t)H0S £ I ¤ I = O (t), H0 1 W zasadzie operatory pola są naturalnie napisane w obrazie oddziaływania: 1 X 1 p ϕ(~r, t) = √ (ei~p·~r e−iEptap~ + e−i~p·~r eiEpta†p~) | {z } | {z } 2Ep V p~ I ap~ (t) †I ap~ (t) Rzeczywiście i∂taIp~ (t) ¤ £ I £ S S ¤ −iH S t iH0S t I = ap~ (t), H0 = e ap~ , H0 e 0 i X h S iH0S t S S† S =e Eq ap~ , a~q a~q e−iH0 t. ~q Komutator i h h i £ ¤ S† S† S† aSp~ , a~q a~Sq = a~q aSp~ , a~Sq + aSp~ , a~q a~Sq | {z } | {z } =0 =δp~ ~q i w konsekwencji: i∂taIp~ (t) aIp~ (t) = = iH0S t S −iH0S t Ep e ap~ e e−iEptaSp~ 2 = EpaIp~ (t) Operator ewolucji |α(t)iI = U I (t, t0) |α(t0)iI i∂tU I (t, t0) = H1I (t)U I (t, t0). Warunek początkowy U I (t0, t0) = 1. Ponieważ £ H1I (t), H1I (t0) ¤ 6= 0 rozwiązanie nie jest zwykłą eksponentą. Równanie różniczkowe przepisujemy w postaci całkowej Zt U I (t, t0) = 1 + (−i) H1I (t0)U I (t0, t0)dt0. t0 3 Rzeczywiście Zt i∂tU I (t, t0) = (−i)i∂t H1I (t0)U I (t0, t0)dt0 = H1I (t)U I (t, t0). t0 Równanie całkowe można rozwiązać iteracyjnie (rachunek zaburzeń): Zt Z t Zt0 U I (t, t0) = 1 + (−i) dt0H1I (t0) + (−i)2 dt0 dt00H1I (t0)H1I (t00) + . . . t0 t0 t0 Wprowadźmy uporządkowanie czasowe T (H1I (t1)H1I (t2) . . . H1I (tn)) = H1I (ti1 )H1I (ti2 ) . . . H1I (tin ) gdzie:ti1 > ti2 > . . . > tin Wówczas Zt0 Zt dt t0 0 00 dt t0 H1I (t0)H1I (t00) 1 = 2! 4 Zt Zt dt0 t0 dt00T (H1I (t0)H1I (t00)). t0 Sprawdźmy: 1 2! Zt Zt dt0 dt00T (H1I (t0)H1I (t00)) t0 t0 0 Zt Zt Z t Zt 1 = dt0 dt00H1I (t0)H1I (t00) + dt0 dt00H1I (t00)H1I (t0) 2 t0 t0 t0 t0 0 00 Z t Zt Z t Zt 1 = dt0 dt00H1I (t0)H1I (t00) + dt00 dt0H1I (t00)H1I (t0) 2 t0 dt0 t0 t0 Zt0 Zt = t0 dt00H1I (t0)H1I (t00) t0 5 t0 .... ....... ... .... ... . 2 ... .. .. .......................................................................................... .. . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . ............................. .. .. . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . ............................. .. .. . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . ... ............................. ... . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. ... . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. ............................. . ... . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. ... . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . ..... ........................................................................................................................................................................ ..... t t 1 .... ....... ... .... ... . 2 ... .. .. . . ... . .. ..... . .... . . . . . . . ... ... ......... ... ... . . . . .... . . . . ... . . . . . . .............. .. .... ................ ... .... . . . . . . . ................... . ... . . ..................... . . .... . ................... ... . . . . . . . . . . . . . .... .... . . . . . . . . . . . . ... .... ....................... .. .. . . . . . . . . . . . . . ...... ........................................................................................................................................................................ ..... ) 2 = t 1 6 To się uogólnia na wyższe potegi. Ostatecznie mamy Rt U I (t, t0) = −i dt0 H1I (t0 ) T e t0 Rt = −i d4 x0 H1I (x0 ) T e t0 gdzie H1I (x0) jest gętością hamiltonianu oddziaływania w obrazie interakcji. Od tej pory opuszczamy wskaźnik ”I”. 7 Macierz S Macierz rozpraszania (scattering matrix). W dalekiej przeszłosci przygotowujemy swobodny stan |ii (od "initial"), który w czasie ewolucji do chwili t zamienił się w stan ψ: lim |ψ(t)i = |ii . t→−∞ Pytamy jaka jest amplituda prawdopodobieństwa, że w dalekiej przyszłości otrzymamy stan |f i (od "final"): Sf i = lim hf |ψ(t)i = lim t→∞ df lim hf | U (t2, t1) |ii = hf | S |ii t2 →∞ t1 →−∞ lub S = U (∞, −∞). Ponieważ ewolucja zachowuje normę stanu |α(t)i = U (t, t0) |α(t0)i hα(t) |α(t)i = hα(t0)| U †(t, t0)U (t, t0) |α(t0)i = hα(t0) |α(t0)i {z } | =1 operator U jest unitarny, więc S jest też R unitarny. Formalnie −i d4 xH1 (x) S = Te . 8 Jak wyglądają stany |ii oraz |f i? Stan |ii jest w gestii eksperymentatora, typowo mamy dwie nieoddziaływujące cząstki o zadanych czteropędach: |ii = |p1, p2i = a†p~1 a†p~2 |0i dodatkowo możemy mieć jescze określone polaryzacje lub helicity. Stan końcowy to określona liczba cząstek (takich samych lub innych niż cząstki padające, np. elektron+pozyton→dwa fotony) o zadanych czteropędach |f i = |p01, p02 . . . p0ni = a†p~ 0 a†p~ 0 . . . a†p~ 0 |0i . 1 2 n Dla wszystkich cząstek wchodzacych i wychodzacych zachodzi Ep2 = p~ 2 + m2 są one na powłoce masy (on mass shell). 9 Reguły Feynmana: prosty przykład teoria ϕ4 Mamy: ¢ g 4 1¡ µ 2 2 L = ∂µϕ ∂ ϕ − m ϕ − ϕ , 2 4!³ ´ g ∂L 1 0 2 2 2 2 ~ + m ϕ + ϕ4 H = T0 = ∂ ϕ̇ − L, H = ∂tϕ + ∇ϕ ∂ ϕ̇ 2 4! g 4 H1 = ϕ . 4! Operator S: Z g S = 1 + (−i) d4x : ϕ4(x) : 4! Z Z (−i)2 ³ g ´2 + d4x1 d4x2T (: ϕ4(x1) :: ϕ4(x2) :) + . . . 2! 4! 10 Operatory pola: ´ 1 X 1 ³ i(~p·~r−Ept) p ϕ(~r, t) = √ e ap~ + e−i(~p·~r−Ept)a†p~ 2Ep V p~ = ϕ(+)(x) + ϕ(−)(x), gdzie ϕ(+)(x) → zawiera e−ipxap~, ϕ(−)(x) → zawiera e+ipxa†p~. Wybierzmy: |ii = |p1, p2i = a†p~1 a†p~2 |0i , |f i = |p01, p02i = a†p~ 0 a†p~ 0 |0i . hf | = hp01, p02| 1 2 = h0| ap~20 ap~10 11 czas p'1 p1 p'2 p2 R hp01, p02| S |p1, p2i = hp01, p02| T e−i 12 d4 xH1 (x) |p1, p2i Rząd zerowy (0) Sf i = hf | 1 |ii = hp01, p02| 1 |p1, p2i = h0| ap~20 ap~10 a†p~1 a†p~2 |0i ³ ´ = h0| ap~20 δp~1p~10 + a†p~1 ap~10 a†p~2 |0i = δp~1p~10 h0| ap~20 a†p~2 |0i + h0| ap~20 a†p~1 ap~10 a†p~2 |0i daje zero z }| { = δp~1p~10 h0| δp~2p~20 + a†p~2 ap~20 |0i + h0| (δp~1p~20 + a†p~1 ap~20 )(δp~2p~10 + a†p~2 ap~10 ) |0i | {z } | {z } daje zero A zatem: daje zero (0) Sf i = δp~1p~10 δp~2p~20 + δp~1p~20 δp~2p~10 Nie zaszło żadne oddziaływanie. Takie przyczynki do macierzy S odrzucamy (tzw. diagramy rozłączne – disconnected ). 13 czas p'1 p1 p'1 p1 = p'2 p2 p'1 p1 p'2 p2 + p'2 p2 (0) Sf i = hf | 1 |ii = hp01, p02| 1 |p1, p2i = δp~1p~10 δp~2p~20 + δp~1p~20 δp~2p~10 14 Pierwszy rząd Z g d4x : ϕ4(x) : ←− można opuścić T S = 1 + (−i) 4! Z Z (−i)2 ³ g ´2 d4x1 d4x2T (: ϕ4(x1) :: ϕ4(x2) :) + . . . + 2! 4! Policzmy S (1) S (1) = (−i) g 4! Z d4x : ϕ4(x) : Interesuje nas element macierzowy (1) Sf i g 0 0 (1) = hp1, p2| S |p1, p2i = (−i) 4! Z 15 d4x h0| ap~20 ap~10 : ϕ4(x) : a†p~1 a†p~2 |0i Uporządkowanie normalne: 2 : ϕ4 := ϕ(−)4 + 4ϕ(−)3ϕ(+) + 6ϕ(−)2ϕ(+) + 4ϕ(−)ϕ(+)3 + ϕ(+)4. Ponieważ stan początkowy zawiera 2 cząstki, potrzebujemy dwa operatory anihiliacji z S (1), a ponieważ stan końcowy zawiera też 2 czastki potrzebujemy też 2 operatory kreacji (które działaja "w lewo"jako operatory anihilacji. Czyli przyczynek da tylko człon 2 6ϕ(−)2ϕ(+) zatem, pamietając że mamy periodyczne warunki przegowe: qx = 2πnx/L i.t.d. s Z Z 3 X X d ~q V 1 3 = = d ~n = V → Nq = , bo pole zawiera: p 3 (2π) 2E 2V Eq q nx ,ny ,nz ~q Uwaga, tej zamiany na razie nie stosujemy, bo δp~~q są deltami Kroneckera: ! Z Z ÃY 4 X 1 g (1) 4 p Sf i = −i 6 d x ei(q1+q2−q3−q4)x 4! 2V Eqi ~q ,~q ,~q ,~q i=1 1 2 3 4 × h0| ap~20 ap~10 a~†q1 a~†q2 a~q3 a~q4 a†p~1 a†p~2 |0i | {z } z operatora pola 16 Trzeba przekomutować operatory kreacji i anihilacji, tak by pozostały tylko δp~~q. Gdyby gdzieś został wolny operator mamy zero. h0| ap~20 ap~10 a~†q1 a~†q2 a~q3 a~q4 a†p~1 a†p~2 |0i ³ ´ ´ ³ † † † = h0| ap~20 a~q1 ap~10 + δ~q1p~10 a~q2 a~q3 ap~1 a~q4 + δ~q4p~1 a†p~2 |0i Popatrzmy najpierw na prawą stronę ³ ´ † h0| . . . a~q3 ap~1 a~q4 + δ~q4p~1 a†p~2 |0i = h0| . . . a~q3 a†p~1 a~q4 a†p~2 |0i + δ~q4p~1 h0| . . . a~q3 a†p~2 |0i = δ~q4p~2 h0| . . . a~q3 a†p~1 |0i + δ~q4p~1 δ~q3p~2 h0| . . . |0i ¡ ¢ = h0| . . . δ~q4p~2 δ~q3p~1 + δ~q4p~1 δ~q3p~2 |0i . Postępując analogicznie z lewą stroną mamy 4 człony h0| ap~20 ap~10 a~†q1 a~†q2 a~q3 a~q4 a†p~1 a†p~2 |0i ³ ´¡ ¢ = δ~q1p~10 δ~q2p~20 + δ~q1p~20 δ~q2p~10 δ~q3p~1 δ~q4p~2 + δ~q3p~2 δ~q4p~1 17 Ponieważ można zmienić nazwy zmiennych całkowania dostajemy ostatecznie 4 identyczne człony Z g (1) 4 i(p01 +p02 −p1 −p2 )x Sf i = −i 6 × 4 d x e 4! 2 1 1 Y 4 4 0 0 q = −ig p (2π) δ (p1 + p2 − p1 − p2). 2V Epi 2V Ep0 i=1 i Uwaga:Diagram: czas p'1 p1 p'2 p2 18 Drugi rząd Z g d4x : ϕ4(x) : S = 1 + (−i) 4! Z Z (−i)2 ³ g ´2 d4x1 d4x2T (: ϕ4(x1) :: ϕ4(x2) :) + . . . + 2! 4! W drugim rzędzie mamy µ ¶2 Z 1 ig (2) Sf i = − d4x1d4x2× 2! 4! ¡ 4 ¢ † † 4 × h0| ap~20 ap~10 T : ϕ (x1) :: ϕ (x2) : ap~1 ap~2 |0i Musimy umieć zapisać T (: ϕ4(x) :: ϕ4(y) :) → ? 19 Zwężenie Wicka Rozpatrzmy prostszy przypadek: T (: ϕ(x)ϕ(y) :) = T (ϕ(x)ϕ(y)) r ϕ(~r, t) = s ´ 1X 1 ³ −ipx † e ap~ + eipxap~ V 2Ep p~ Policzmy dla x0 > y0 s s ´³ ´ 1X 1 1 ³ −ipx ipx † −iqy iqy † e ap~ + e ap~ e a~q + e a~q T (ϕ(x)ϕ(y))|x0>y0 = V 2Ep 2Eq p~,~q s s 1X 1 1 = × V 2Ep 2Eq p~,~q ´ ³ † ipx+iqy † † ipx−iqy † −ipx−iqy −ipx+iqy ap~ a~q ap~ a~q + e e ap~ a~q + e ap~ a~q + e Chvemy to przepisać, tak by operatory anihilacji stały po prawej ap~a~†q = δp~ ~q + a~†q ap~ 20 co daje dla x0 > y0 T (ϕ(x)ϕ(y))|x0>y0 1 X 1 −ip(x−y) =: ϕ(x)ϕ(y) : + e . V 2Ep p~ Dla y0 > x0 wystarczy zamienić x ←→ y T (ϕ(x)ϕ(y))|y0>x0 1 X 1 −ip(y−x) e . =: ϕ(x)ϕ(y) : + V 2Ep p~ Używając X Z →V p~ d3p~ (2π)3 mamy T (ϕ(x)ϕ(y)) =: ϕ(x)ϕ(y) : Z ´ d3p~ ³ −ip(x−y) −ip(y−x) + e θ(x0 − y0) + e θ(y0 − x0) 3 2Ep(2π) p gdzie Ep = p~ 2 + m2. Oznaczamy Z ´ d3p~ ³ −ip(x−y) −ip(y−x) i∆F (x − y) = i e θ(x0 − y0) + e θ(y0 − x0) 2Ep(2π)3 21 Warto funkcje θ zastąpić trickiem wprowadzając całkę po dp0 po konturze: x0 − y0 < 0 − Ep + i ε Ep − i ε x0 − y0 > 0 co daje (pokażemy to w drugą stronę) Z 4 d p −ip(x−y) i i∆F (x − y) = e (2π)4 p2 − m2 + iε Z 3 Z d p~ ei~p(~x−~y) 0 −ip0 (x0 −y 0 ) dp e =i (2π)4 (p0)2 − p~ 2 − m2 + iε C 22 Zajmijmy się całką po p0: Z 0 −ip0 (x0 −y 0 ) dp e C 1 (p0)2 − p~ 2 − m2 + iε Mianownik można rozpisać: ¡ 0 ¢2 p − p~ 2 − m2 + iε = (p0 − Ẽp)(p0 + Ẽp) gdzie Ẽp = p p~ 2 + m2 − iε = p (~p 2 + m2) (1 − iε0) 1 0 = Ep(1 − i ε ) 2 gdzie ε ε = 2 . p~ + m2 Ponieważ interesuje nas tylko znak ε0 możemy opuścić dodatnie czynniki: 0 Ẽp = Ep − iε. Stąd mianownik 1 1 = 0 . 2 0 + E − iε) 0 2 2 (p − E + iε)(p (p ) − p~ − m + iε p p 23 Wyrażenie to ma dwa bieguny 1) : p0 = Ep − iε, 2) : p0 = −Ep + iε. Gdy (x0 − y0) > 0 kontur domykamy u dołu i przyczynek daje biegun 1). Dla (y0 − x0) > 0 przyczynek daje biegun 2): x0 − y0 < 0 Z∞ − Ep + i ε 0 −ip0(x0−y 0 ) dp e 1 (p0)2 − p~ 2 − m2 + iε −∞ Mamy: Ep − i ε x0 − y0 > 0 Z 3 " 0 0 e−iEp(x −y )ei~p(~x−~y) d p~ θ(x0 − y0) i∆F (x − y) = (−2πi)i (2π)4 2Ep # iEp (x0 −y 0 ) i~p(~x−~y ) e e +θ(y0 − x0) . 2Ep 24 W przypadku drugiej całki mozemy zmienić zmienną całkownia p~ → −~p i mamy ostatecznie wyrażenie wyjściowe: Z i d3p~ h −ip(x−y) −ip(y−x) i∆F (x − y) = θ(x0 − y0)e + θ(y0 − x0)e . 3 2Ep(2π) Wyrażenie i p2 − m2 + iε wraz z przepisem na obchodzenie biegunów nazywamy propagatorem Feynmana dla pola skalarnego w przestrzeni pędów. Pokazaliśmy najprostszy przykład twierdzenia Wicka: T (ϕ(x)ϕ(y)) =: ϕ(x)ϕ(y) : +i∆F (x − y) Ten ostatni człon nazywa się zwężeniem Wicka: ϕ(x)ϕ(y) = i∆F (x − y). Podobnie dla fotonu. 25 Jeśli pola nie zawierają niekomutujących operatorów, np. pole ψ: r ´ 1 X m³ † −i(~p·~r−Ep t) i(~p·~r−Ep t) ψ(~r, t) = √ bp~ εuε(~p)e + dp~ εvε(~p)e E V p~,ε=± p to T (ψ(x)ψ(y)) =: ψ(x)ψ(y) : T (ψ(x)ψ(y)) =: ψ(x)ψ(y) : ale T (ψ(x)ψ(y)) =: ψ(x)ψ(y) : + ψ(x)ψ(y) gdzie ψ α(x)ψβ (y) = iSF (x − y)αβ Z 3 µ d p~ −ip(x−y) (p γµ + m)αβ e =i 4 (2π) p2 − m2 + iε 26 i ∆F ( p ) = i p 2 − m2 + i ε i ( p + m )αβ iSF (p ) = 2 p − m2 + i ε = iDF (p )µν = i p − m + iε − igµν p2 + iε (cechowanie!) 27 Twierdzenie Wicka Uporządkowanie czasowe iloczynu pól swobodnych jest równe sumie po wszystlich możliwych uporządkowanych normalnie iloczynach pól generowanych przez zwężenia Wicka. Przykład dla czterech pól skalarnych: T (ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4) = T (ϕ(x1)ϕ(x2)ϕ(x3)ϕ(x4)) =: ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : (1) + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : + . . . + : ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : (2) + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : (3) Uwaga: • przyczynek (??) jest liczbą, reprezentowaną przez diagram: 〈 f |i 〉 Nie daje on wkładu do amplitudy rozpraszania, gdyż nie jest diagram connected. 28 T (ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4) = T (ϕ(x1)ϕ(x2)ϕ(x3)ϕ(x4)) =: ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : (1) + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : + . . . + : ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : (2) + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : + :ϕ1ϕ2ϕ3ϕ4 : (3) • Jeżeli x1 = x2 = x3 = x4 = x, to mamy dyskutowany wcześniej pierwszy rząd rachunku zaburzeń. Do rozpraszania p1, p2 → p01, p02 daje wkład przyczynek (??). • Jeżeli jako stany poczatkowy i końcowy wybrać stany jednocząstkowe: |ii = |pi , |f i = |p0i to may tylko wkład od przyczynków (??) reprezentowanych diagramem (poprawka wirtualna): p' p 29 Drugi rząd w teorii ϕ4 Z Z ³ ´ 2 (−i) g (2) Sf i = d4x1 d4x2× 2! 4! hp01, p02| T (: ϕ4(x1) :: ϕ4(x2) :) |p1, p2i 2 Aby element macierzowy między stanami dwucząstkowymi nie znikał, muszą być cztery wolne operatory pola i dwa zwężenia Wicka, które likwidują cztery operatory pola. hp01, p02| T (ϕ(x1)ϕ(x1)ϕ(x1)ϕ(x1)ϕ(x2)ϕ(x2)ϕ(x2)ϕ(x2)ϕ(x2)) |p1, p2i 30 Są trzy typy diagramów: 1. Oba zwężenia w tym samym punkcie x1 (diagram disconnected ): ϕ(x1)ϕ(x1)ϕ(x1)ϕ(x1) : ϕ4(x2) : czas p'1 p1 p'2 p2 31 2. Jedno zwężęnie w tym samym punkcie x1, drugie między x1 a x2 (poprawka wirtualna + oddziaływanie): ϕ(x1)ϕ(x1)ϕ(x1)ϕ(x2) : ϕ(x1)ϕ3(x2) : czas p'1 p1 p'2 p2 32 3. Oba zwężenia miedzy różnymi punktami (oddziaływanie): ϕ(x1)ϕ(x1)ϕ(x2)ϕ(x2) : ϕ2(x1)ϕ2(x2) : czas p'1 p1 p'1 p1 p'1 p1 p'2 p2 p'2 p2 p'2 p2 33