Løsningsforslag til eksamen i FY3464 KVANTEFELTTEORI Torsdag 26. mai 2005

Like dokumenter
Løsningsforslag til eksamen i FY8306 KVANTEFELTTEORI Fredag 9. juni 2006

Eksamen i fag RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 26. mai 2000 Tid: 09:00 14:00

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

Løsningsforslag til eksamen i FY3404 RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Tirsdag 30. november 2004

Løsningsforslag til eksamen i FY3404/FY8307 RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 9. juni 2006

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Torsdag 8. august 2002

Institutt for fysikk Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk. Løsningsforslag til eksamen i FY3403 PARTIKKELFYSIKK Torsdag 31.

Løsningsforslag til øving 3

Exam in FY3464 QUANTUM FIELD THEORY I Friday november 30th, :00 13:00

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Eksamen i FY3403/TFY4290 PARTIKKELFYSIKK Mandag 12. desember :00 13:00

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

EKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

Løysingsforslag (Skisse) Eksamen FY3452 Gravitasjon og Kosmologi Våren 2007

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

Eksamen i FY8306 KVANTEFELTTEORI Fredag 9. juni :00 13:00

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

En samling av mer eller mindre relevante formler (uten nærmere forklaring) er gitt til slutt i oppgavesettet.

Midtsemesterprøve i FY3403 PARTIKKELFYSIKK Onsdag 22. oktober :15 16:00

Eksamen i FY3466 KVANTEFELTTEORI II Tirsdag 20. mai :00 13:00

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

Løysingsframlegg/skisse Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem 24. mai 2011

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 1 1 LØSNING ØVING 1

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Lørdag 26. mai 2001

Løsningsforslag til øving 4

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

Løsningsforslag Eksamen 4. desember 2007 TFY4250 Atom- og molekylfysikk/fy2045 Kvantefysikk

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TEP4145 KLASSISK MEKANIKK Mandag 21. mai 2007 kl Løsningsforslaget er på i alt 9 sider.

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl K. Rottmann: Matematisk formelsamling (eller tilsvarende).

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

Løysingsframlegg øving 1

Løsningsforslag til eksamen i TFY4230 STATISTISK FYSIKK Tirsdag 9. aug 2011

UNIVERSITETET I OSLO

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Litt GRUPPETEORI for Fys4170

Eksamen i Klassisk feltteori, fag TFY 4270 Onsdag 26. mai 2004 Løsninger

Gammafordelingen og χ 2 -fordelingen

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Løsningsforslag Eksamen 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

LØSNING EKSTRAØVING 2

TMA4240 Statistikk Høst 2007

Løsningsforslag til øving 4

Løsning til øving 23 for FY1004, våren 2008

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Elektrisk potensial/potensiell energi

FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Torsdag 8. desember 2011

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

Eksamen i fag FY2450 Astrofysikk Onsdag 20. mai 2009 Tid:

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

Løsningsforslag til øving 4

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

Dagens plan. INF3170 Logikk. Noen begreper. Automatisk bevissøk i førsteordens logikk

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Kvantekraft. L x. L 2 x. = A sin n xπx. sin n yπy. 2 y + 2.

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

Løsningsforslag til eksamen i SIF4022 Fysikk 2 Tirsdag 3. desember 2002

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

EKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 30. mai 2006 kl

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Tirsdag r r

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

EKSAMENSOPPGAVE. 7 (6 sider med oppgaver + 1 side med formler)

KORT INTRODUKSJON TIL TENSORER

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 2

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig kontakt under eksamen: Ola Hunderi, tlf (mobil: )

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2013

Matematisk statistikk og stokastiske prosesser B, høsten 2006 Løsninger til oppgavesett 5, s. 1. Oppgave 1

FYS1120 Elektromagnetisme - Ukesoppgavesett 2

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Transkript:

NTNU Side av 5 Institutt or ysikk Fakultet or ysikk, inormatikk og matematikk Eksamen gitt av Kåre Olaussen Dette løsningsorslaget er på 5 sider. Løsningsorslag til eksamen i FY3464 KVANTEFELTTEORI Torsdag 6. mai 5 Oppgave. Perturbativ korreksjon til vakuumenergi i QED I denne oppgaven skal du skissere hvordan vakuumenergien i QED til orden e kan relaterers til vakuumpolarisasjonen Π µν(q) = `q η µν q µq ν Π(q ) a) Tegn or hvert ladet ermion de diagrammene av orden e som bidrar til vakuumenergien i QED. Vi har at it E () = + Ved evaluering av diagrammene inner vi en ri integrasjon, d d x = T V. Ved ikke å utøre denne gir diagrammene oss et uttrykk or energi pr. volumenhet, dvs. energitetthet. Det var ikke orventet at kandidatene skulle huske aktoren i (eller bruke tid på å utlede denne). b) Argumenter or at det or hvert ladet ermion bare er ett diagram som er orskjellig ra null. Det ørste diagrammet svarer til den klassiske Coulombenergien tilknyttet ladningstettheten ρ vac i vakuum. Men observasjonelt er det opplagt at vi har ρ vac =, så dette bidraget må være null. I dimensjonell regularisering kan dette regnes ut som ølger: d d k Tr γ µ (k/ + m ) (π) d k m + iε = d d k 4k µ (π) d k m =, () + iε der siste likhet er en konsekvens av at integranden er antisymmetrisk i k. Ved andre regulariseringsmetoder er dette mer subtilt, ordi vi opererer med integraler som potensielt er divergente. I operatorormulering av teorien vil hvert ermion gi null bidrag til

Løsning FY3464 Kvanteeltteori, 6. 5. 5 Side av 5 vakuumladningen ρ vac hvis man etter Schwinger deinerer strømoperatorene på en måte som er antisymmetrisk under partikkel-antipartikkel konjugasjon, nemlig j µ (x) = q e ψ() α (x), γµ αβ ψ() β (x). Tilslutt er det jo slik at q = i Standardmodellen, slik at den totale vakuumladningen blir null selv om vi ikke er nøye med operatorordningen (men ordner bidragene ra alle ermioner på samme måte). Det var ikke orventet at kandidatene skulle kunne alle disse argumentene or at ρ vac er null. c) Vis at hvert slikt diagram kan relateres til et integral over et tilsvarende bidrag til vakuumpolarisasjonen, Π () µν (q). Du trenger ikke å gjøre noen integrasjoner eksplisitt. Du kan anta at alle integraler er endelige og at integrasjonsrekkeølgen ikke spiller noen rolle, slik det.eks. er ved dimensjonell regularisering. Vi observerer at q k = ( d d q i η µν ξq µ q ν /q ) (π) d q q + iε k µ ν () k + q k + q Her er aktoren en symmetriaktor or diagrammet til venstre, som ikke gjeninnes or diagrammet til høyre. Vi har uttrykt otonpropagatoren i en generell Fermi-gauge, karakterisert ved parameteren ξ. Diagrammet til høyre kan identiiseres som annen ordens bidrag til vakuumpolarisasjon ra ermion, i Π () µν (q) = i ( q ) η µν q µ q ν Π () (q ). Vi inner deror det gauge invariante uttrykket ie () V = 3 d d q (π) d Π() (q ). (3) Kommentar: Det var ikke orventet at noen skulle regne lenger enn dette (eller å alle tegn og i er på plass), men det er interessant å ulløre regningen. Fra Peskin & Schroeder inner vi at Π () (q ) = 8q e (4π) d/ Γ( d ) Z dt t( t) ˆm t( t)q +d/, (4) der e er den urenormerte ladningen. Innsatt i (3), og etter rotasjon til imaginær q, q iqe, gir dette E () = e V (4π) Γ( d ) X Z Z d q d q E d/ dt t( t) ˆm (π) d + t( t)qe +d/ = e (4π) Γ( d ) X Z Z d q d/ dt t( t) d/ d x ˆm (π) d + x +d/ = e Γ( d) (4π) d Z dt t( t) d/ X = e (4π) d (3 d)( d) Γ( d ) X q m d 4 q m d 4. (5)

Løsning FY3464 Kvanteeltteori, 6. 5. 5 Side 3 av 5 Dette uttrykket kan bearbeides videre ved å innøre den renormerte ladningen, men vi avstår ra dette her. Det er også mulig å relatere høyere ordens bidrag til vakuumenergi til tilsvarende ordens bidrag til vakuumpolarisasjon. Oppgave. Masseavhengighet til anomalt magnetisk moment Laveste ordens korreksjon til det anomale magnetiske momentet til leptonene (e, µ, τ) er gitt ved Schwingerkorreksjonen a l g l α =. (6) π Det kan argumenteres or at man i denne ormelen bør bruke den løpende koblingskonstanten Π (l) (q ) = α(q ) = «Z α dt t( t) log» t( t) q π m l α() Π (q ), (7) der q er av størrelsesorden m l, dvs. typisk størrelsesorden på den (euklidske) irerimpulsen som lyter gjennom oton-propagatoren når man evaluerer Feynmandiagrammet or a l. Oppgitt: m e = 5 kev/c, m µ = 6. MeV/c, m τ =.78 GeV/c. Laveste ordens bidrag til Π ra et lepton l er gitt som 8 ` α h i q >< log 5 q,, π 6 m 8 m l l a) Bruk dette argumentet til å anslå dieransene a µ a e og a τ a e. Ved rekkeutvikling til annen orden i α() inner vi a e = α() + Π (e) π ( m e ) + Π(µ) a µ a τ = α() π = α() π + Π (e) + Π (e) der Π (had) dimensjonsløse masseorhold, slik at. eks. Π (e) inner deror a µ a e a τ a e >: ` α π 3 q m l, q, m l ( m e ) + Π(τ) ( m e ) + Π(had) ( m e ), ( m µ ) + Π(µ) ( m µ ) + Π(τ) ( m µ ) + Π(had) ( m µ ), ( m τ ) + Π (µ) ( m τ ) + Π (τ) ( m τ ) + Π (had) ( m τ ), ikke kan beregnes perturbativt. Vi merker oss at Π (l) ( m e) = Π (µ) bare avhenger av ( m µ) = Π (τ) ( m τ ). Vi = α π I(m µ /m e ) + I(m µ /m τ ) I(m e /m µ ) I(m e /m τ ) + H(m µ ) H(m e ), = α π I(m τ /m e ) + I(m τ /m µ ) I(m e /m µ ) I(m e /m τ ) + H(m τ ) H(m e ), der I(x) er integralet I(x) = dt t( t) log + t( t)x { 6 log x 5 8, x, x, x, og H(m ) π α Π(had) ( m ) er det hadroniske bidraget som vi ikke kan regne ut, og deror skal utelate. Ved å neglisjere alle ledd der x er liten kommer vi ram til prediksjonene a µ a e α 6π log m µ 5 8. 6, (8) 3 a τ a e α 6π m e log m τ m e 3 + log m τ m.67 5. (9) µ 3

Løsning FY3464 Kvanteeltteori, 6. 5. 5 Side 4 av 5 Oppgave 3. I denne oppgaven skal du se på (Higgs) modellen deinert ved Lagrangetettheten L = 4 FµνF µν + (D µϕ) (D µ ϕ) + m ϕ ϕ 4 λ (ϕ ϕ) + il σ µ D µl gε αβ `ϕ L αl β ϕl αl β. Her er F µν = νa µ µa ν, D µϕ = ( µ + iea µ) ϕ, D µl = ( µ «+ iea µ) L, L er en to-komponent (Weyl) spinor, σ µ = (I, σ) der σ er Paulimatrisene, og ε αβ =. Både m, λ og g antas å være reelle og positive. I denne modellen kan Higgs mekanismen antas å opptre. a) Vis at L er gauge invariant. Dette innebærer at du også må angi transormasjonsreglene or alle eltene ϕ, L og A µ. Vi velger transormasjonsregelen or A µ (x) til A µ (x) A µ (x) = A µ(x) µ (x), () som holder F µν invariant, ν A µ µa ν = νa µ µ A ν. Vi krever videre at D µ ϕ skal transormere på samme måte som ϕ, og at D µ L skal transormere på samme måte som L. Dette bestemmer transormasjonslovene or ϕ og L til ϕ(x) ϕ (x) = e ie(x) ϕ(x), () L(x) L (x) = e ie(x) L(x). () Ved inspeksjon ser man da at Lagrangetettheten L er gauge invariant. Det mest interessante er leddet ϕ L α L β ϕ L αl β = e ie(x) e ie(x) e ie(x) ϕ L α L β = ϕ L α L β, og dets kompleks konjugerte. b) Hva blir vakuumorventningsverdien til Higgseltet i denne modellen (ør perturbative korreksjoner)? Vi vil minimaliserte potensialet V (x) = m x+ 4 λx, der x = ϕ. Vi ser at minimum inntrer or ϕ = λ m (3) c) Hva blir massen til vektorbosonet A µ (ør perturbative korreksjoner)? Masseleddet til A µ kommer ra det kinetiske bidraget til ϕ-eltet, (D µ ϕ) (D µ ϕ) 4e ϕ A µ A µ M AA µ A µ. Altså inner vi at M A = 8 e ϕ = 4 em (4) λ d) Hva blir massen til den gjenværende Higgs partikkelen (ør perturbative korreksjoner)? Vi ser bare på dynamikken til ϕ (asen blir spist opp av Higgs mekanismen), og skriver ϕ = ϕ + ρ og inner ( m ϕ = m ϕ + ϕ ρ + ) ρ 4 λ ϕ 4 = 4 λ ( ϕ + ϕ ρ + ρ ).

Løsning FY3464 Kvanteeltteori, 6. 5. 5 Side 5 av 5 Vi trenger bare regne ut ρ -leddene i detalj, men det er ganske lett å inne det ullstendige uttrykket V = λ m4 + m ρ + λmρ 3 + 6 λρ4. Her skal masseleddet ha ormen M ρ ρ, så vi inner M ρ = m. (5) e) Hva blir massen til ermionet L (ør perturbative korreksjoner)? Et (Majorana) masseledd vil ha ormen M Lε αβ (L α L β L αl β M L = g ϕ, dvs. ), så vi identiiserer M L = g ϕ = gm. (6) λ