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Para completar as ferramentas matem´aticas neces´arias para o estudo da dinˆamica quˆantica relativ´ıstica e n˜ao-relativ´ıstica de part´ıculas neutras em um espa¸co-tempo curvo e na presen¸ca de tor¸c˜ao, deve-se saber quais a caracter´ısticas dos spinores e como ´e a defini¸c˜ao da derivada covariante para um spinor primeiramente. Nesta se¸c˜ao faremos um breve estudo em como definir a derivada covariante de spinores, pois deixamos para o apˆendice A uma breve revis˜ao de spinores de duas compomentes. Para uma revis˜ao mais aprofundada sobre spinores na relatividade geral consultar as referˆencias [42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49].

Os spinores de Dirac no espa¸co-tempo curvo s˜ao definidos como objetos de 4 com- ponentes que, sob o grupo das transforma¸c˜oes locais de Lorentz (1.69), transformam-se como

ψ (x)→ ψ′(x) = S (Λ (x)) ψ (x) , (1.78) enquanto seu hermitiano conjugado tranforma-se como

ψ†(x)→ (ψ′)(x) = ψ(x) S(Λ (x)) , (1.79)

onde S (Λ (x)) ´e uma matrix 4×4 que ´e a representa¸c˜ao da matrix de Lorentz Λa

b(x) com

a retri¸c˜a que detS = 1. Veja que esta ´e a extens˜ao natural das matrizes spinoriais 2× 2 que est˜ao definidas no apˆendice A. Escrevendo-se em termos das componentes spinoriais tem-se ψA(x) → ψ′ A(x) = SA B(x) ψB(x) , (1.80) ψA(x) → ψ′A(x) = ψB(x) S−1(x) B A. (1.81)

Deve-se enfatizar que sob transforma¸c˜oes de coordenadas no espa¸co-tempo, os spinores transformam-se como escalares11, isto ´e, ψ(x) = ψ (x).

As matrizes de Dirac constantes devem ser definidas em rela¸c˜ao ao referencial local dos observadores para termos suas express˜oes em rela¸c˜ao ao espa¸co-tempo plano. Como discutido no apˆendice A, sem perda de generalidade, pode-se trabalhar nesta se¸c˜ao com a representa¸c˜ao reduzida das matrizes de Dirac12

γa= γa BA ′ ou γa BA′ , (1.82)

que nos traz a mesma ´algebra spinorial para spinores de duas componentes e onde os ´ındices A′, B, C, ... indicam o hermitiano conjugado. Estas matrizes reduzidas continuam

satisfazendo a rela¸c˜ao de anticomuta¸c˜ao γaA′B′γbB′T + γb B

A γaB′T = 2ηabδAT, (1.83)

o que define a ´algebra de Clifford associada ao espa¸co-tempo de Minkowisky. Como os spinores transformam-se como escalares diante de transforma¸c˜oes de coordenadas no espa¸co-tempo ´e comum omitir os ´ındices spinorias e escrever a rela¸c˜ao de comuta¸c˜ao acima como

γaγb+ γbγa =−2 ηab. (1.84)

Quando o espa¸co-tempo for curvo, as matrizes de Dirac dever˜ao ser definidas em cada ponto do espa¸co-tempo. A express˜ao estas matrizes ´e facilmente obtida escrevendo em termos dos referenciais locais, isto ´e,

γµ(x) = eµ

a(x) γa, (1.85)

onde a ´algebra de Clifford para essas matrizes ´e definida agora como

γµ(x) γν(x) + γν(x) γµ(x) =−2 gµν(x) , (1.86)

onde foram omitidos os ´ındices spinoriais para facilitar nossa leitura. Sob o grupo de transforma¸c˜oes spinoriais (1.78), as matrizes de Dirac transformam-se como

(γ′)µ AA ′(x) = SA′ B′ S−1 B A γ µ B′ B =  S γµ(x) S−1 A′ A , (1.87)

enquanto que sob transforma¸c˜oes de coordenadas, as matrizes γµ(x) transformam-se como

um 4-vetor contravariante, isto ´e,

(γ′)µ = ∂x′µ ∂xα γ

α(x) . (1.88)

Vamos tratar nesse momento da derivada covariante para um spinor no espa¸co-tempo curvo13. Tem-se que as transforma¸c˜oes spinoriais (1.78) no espa¸co-tempo curvo dependem

11

Para maiores detalhes ver apˆendice A.

12

Na referˆencia [48] ´e tomada a representa¸c˜ao 4× 4 das matrizes de Dirac.

13

Para maiores detalhes sobre a derivada covariante de um spinor no espa¸co-tempo de Minkowisky ver apˆendice A.

de cada ponto onde s˜ao realizadas. Assim, a derivada covariante de um spinor no espa¸co- tempo curvo deve ser dada por [49]

e

∇µψA(x) =∇µψA(x) + ψB(x) Γµ BA , (1.89)

onde∇µcorresponde as componentes da derivada covariante usual que definimos na se¸c˜ao

1.1 para vetores. A derivada covariante de um spinor (1.89) transforma-se como um spinor em cada ponto do espa¸co-tempo, ou seja,

e

∇µ (ψ′)A(x) =SAB(x) e∇µψB(x) , (1.90)

isto implica que o objeto Γ A

µ B transforma-se como (Γ′)µ BA =SA CΓµ DC S−1 D B+ ∂µS A C  S−1D B, (1.91)

isto ´e, o objeto Γ A

µ B = Γµ n˜ao se transforma como um spinor e ´e chamado de afinidade

spinoriais [49] ou conex˜ao spinorial. Para um objeto que tenha tanto ´ındices do espa¸co- tempo quanto ´ındices spinoriais, a express˜ao mais geral para a derivada covariante fica dada por ∇µΨν AA ′ BB′ = ∂µΨν AA ′ BB′ + ν µλ Ψλ AABB′ ′ + Ψν DA ′ BB′Γµ DA (1.92) − Ψν AA′DB′Γµ BD + Γ†  A′ µ D′ Ψ ν AD′ BB′ − Γ†  D′ µ B′ Ψ ν AA′ BD′.

Usando a condi¸c˜ao (1.25) e a rela¸c˜ao de anticomuta¸c˜ao (1.86) obtem-se e

∇µ γαγβ+ γβγα



= 0, (1.93)

assim, uma condi¸c˜ao suficiente para que a equa¸c˜ao (1.93) seja satisfeita ´e que e ∇µγα = e∇µγα BA′ =∇µγα BA′ + γα DA′ Γµ DB− Γ†µ  D′ A′ γ α B D′ = 0 = ∇µγα+ γαΓµ− Γ†µγα, (1.94)

onde os ´ındices spinoriais s˜ao omitidos por conveniˆencia na ´ultima igualdade. Ent˜ao, multiplicando por γαpela esquerda e usando as propriedades das matrizes γα e a express˜ao

(1.85), tem-se que a express˜ao para a conex˜ao spinorial ´e dada por Γµ =

i

4ωµab(x) Σ

ab =

4i [eνb(x) µecν(x) ηcb] Σab, (1.95)

onde os ´ındices spinoriais da conex˜ao spinorial s˜ao tamb´em omitidos por conviniˆencia e onde foi usada a express˜ao para a conex˜ao de spin ωµab(x) dada em (1.74), com

Σab = i 2 γ

aγb− γbγa. (1.96)

A extens˜ao para um espa¸co-tempo curvo e na presen¸ca de tor¸c˜ao ´e feita usando o mesmo procedimento adotado na se¸c˜ao 1.1, onde a conex˜ao afim inclui os s´ımbolos de Christoffel e o tensor de contor¸c˜ao (1.31). Com algumas manipula¸c˜oes alg´ebricas ver-se-´a a inclus˜ao da conex˜ao um-forma Kµab(x) na conex˜ao spinorial, isto ´e,

Γµ=

i

4 [ωµab(x) + Kµab(x)] Σ

ab. (1.97)

Portanto, temos agora em m˜ao todas as ferramentas matem´aticas essenciais para dis- cutirmos o comportamento de part´ıculas neutras com momentos de dipolo el´etrico e magn´etico permanentes diante de um espa¸co-tempo curvo na presen¸ca ou na ausˆencia de tor¸c˜ao e quando os referenciais locais forem inerciais ou n˜ao.

Dinˆamica das Part´ıculas Neutras

Neste cap´ıtulo revisaremos a dinˆamica relativ´ıstica de part´ıculas neutras que possuem momentos de dipolo el´etrico e magn´etico permantes e em seguida faremos um revis˜ao do limite n˜ao-relativ´ıstico da equa¸c˜ao de Dirac no contexto do espa¸co-tempo curvo. O limite n˜ao-relativ´ıstico da equa¸c˜ao de Dirac ´e obtido atrav´es da aproxima¸c˜ao de Foldy- Wouthuysen e ser´a aplicado em todos os contextos abordados durante nosso trabalho, ou seja, no contexto do esp¸co-tempo curvo sem tor¸c˜ao, com tor¸c˜ao e quando tivermos referenciais n˜ao-inerciais.

2.1

A Dinˆamica Relativ´ıstica de Particulas Neutras

O estudo da dinˆamica relativ´ıstica de part´ıculas neutras, que possuem momento de dipolo magn´etico permanente, deve ser baseado na dependˆencia em que as intera¸c˜oes eletromagn´eticas dos nucleons possuem em rela¸c˜ao aos seus momentos de dipolo magn´etico, pois a equa¸c˜ao de Dirac para part´ıculas livres ou interagindo com um campo eletro- magn´etico externo preveem um momento de dipolo magn´etico para neutrons sendo nulo. As intera¸c˜oes eletromagn´eticas dos nucleons s˜ao influenciadas pelas intera¸c˜oes forte [50], onde estas mostram que o momento de dipolo magn´etico do pr´oton ´e de 1, 79µB enquanto

que o momento de dipolo magn´etico do neutron ´e −1, 91µB, sendo µB o magn´eton de

Bohr

µB =

q~ 2mpc

, (2.1)

onde q ´e a carga do pr´oton, mp a massa do pr´oton e c a velocidade da luz no v´acuo1.

Portanto, no estudo da intera¸c˜ao do momento de dipolo magn´etico de part´ıculas neutras com o campo eletromagn´etico deve-se abandonar o pr´ıncipio do acoplamento m´ınimo [50, 51]

γµµ −→ γµ(∇µ− q Aµ) , (2.2)

1

Apenas nesta express˜ao ´e que deixamos c e ~ expl´ıcitos. No que segue, sempre trataremos c = ~ = 1.

e introduzir um acoplamento n˜ao-m´ınimo na equa¸c˜ao de Dirac γµ∇µ −→ γµ∇µ+ µ 2Σ µνF µν, (2.3)

com µ = −κµB = 1, 91µB. De modo an´alogo, introduz-se outro acompamento n˜ao-m´ınimo

para o estudo da dinˆamica de part´ıculas neutras que possuem momento de dipolo el´etrico permanente, pois estes determinam a parte real e imagin´aria de uma mesma quantidade f´ısica [52, 53]. Este acoplamento ser´a

γµµ −→ γµ∇µ− i

d 2Σ

µνγ5F

µν. (2.4)

Assim, a dinˆamica relativ´ıstica de part´ıculas neutras que possuem momentos de dipolo magn´etico e el´etrico permanentes que interagem com um campo el´etrico e magn´etico externos, respectivamente, ser´a descrita pela equa¸c˜ao de Dirac no espa¸co-tempo curvo com a adi¸c˜ao dos dois termos de acoplamentos n˜ao-m´ınimos dados em (2.3) e (2.4), isto ´e, iγµ∇µψ + µ 2Σ µνF µνψ− i d 2Σ µνγ5F µνψ− mψ = 0, (2.5)

onde tem-se que µ ´e o momento de dipolo magn´etico enquanto que d ´e o momento de dipolo el´etrico. Os ´ındices µ, ν indicam os ´ındices do espa¸co-tempo. O tensor Fµν ´e o

tensor eletromagn´etico cujas componentes s˜ao definidas como Fµν =

n ~

E, ~Bo, Fµν =−Fνµ

F0α = Eα; Fαβ =−ǫαβγBγ, (2.6)

sendo (α, β, γ) os ´ındices espaciais do espa¸co-tempo2. No espa¸co-tempo curvo, a derivada

ordin´aria ∂µdeve ser trocada pela derivada covariante∇µpara abranger a geometria ou a

topologia do espa¸co-tempo para se fazer o transporte paralelo de um vetor3. A defini¸c˜ao

da derivada covariante na equa¸c˜ao de Dirac ´e dada pela soma de dois termos

∇µ = ∂µ+ Γµ, (2.7)

onde ∂µ continua sendo a derivada ordin´aria em rela¸c˜ao a algumas das coordenadas do

espa¸co-tempo como feito no espa¸co-tempo plano, Γµ ´e a conex˜ao spinorial dada na ex-

press˜ao (1.95) ou (1.97) (quando houver a presen¸ca da tor¸c˜ao) e Σµν = eµ

a(x) eνb(x) Σab,

com Σab sendo dada em (1.96). Os ´ındices latinos (a, b, c) indicam as componentes dos

referenciais locais e correspondem a 0, 1, 2, 3.

Lembrando-se que as matrizes γµ s˜ao definidas em termos dos referenciais locias via

express˜ao (1.85), ou seja,

γµ(x) = eµa(x) γa, (2.8)

2

Usaremos apenas os ´ındices (α, β, γ) como ´ındices espaciais do espa¸co-tempo. Os demais ´ındices denotados por letras gregas indicar˜ao as quatro componentes do espa¸co-tempo.

E comum dizer queµ´e a derivada covariante, por´em essa nota¸c˜ao indica as componentes da derivada

covariante. N˜ao entraremos nos m´eritos dessa discuss˜ao aqui por n˜ao termos essa finalidade, por´em em qualquer livro sobre relatividade geral essa quest˜ao de nota¸c˜ao pode ser facilmente esclarecida.

onde as matrizes γa s˜ao as matrizes de Dirac definidas no espa¸co-tempo de Minkowisky, γ0 = ˆβ =  1 0 0 −1  , γi = ˆβ αi =  0 σi −σi 0  , (2.9)

com σi sendo as conhecidas matrizes de Pauli que satisfazem a rela¸c˜ao de anticomuta¸c˜ao

(σiσj + σjσi) = 2 ηij. O tensor ηab = diag(−1, 1, 1, 1) ´e o tensor de Minkowsky cujo

´ındices (i, j, k =, 1, 2, 3) representam os ´ındices espaciais dos referenciais locais 4. Para

terminarmos nossas defini¸c˜oes sobre a equa¸c˜ao de Dirac no espaco-tempo curvo devemos definir a matrix γ5. Esta ´e definida como

γ5 = −i 24ǫµναβγ µγνγαγβ = i γ0γ1γ2γ3 = γ 5 =  0 1 1 0  , (2.10)

e por conveniˆencia, defini-se a vetor de spin ~Σ como sendo ~ Σ =  ~σ 0 0 ~σ  . (2.11)

Para encerrarmos essa se¸c˜ao vamos usar a express˜ao (1.25), para escrevermos a equa¸c˜ao de Dirac (1.22) em termos dos referencias locais. A equa¸c˜ao de Dirac passa a ser escrita como iγaeµ a(x)∇µψ + µ 2Fµνe µ a(x) eνb(x) Σabψ− i d 2Σ abeµ a(x) eνb(x) γ5Fµν = mψ. (2.12)

Dessa forma, temos todas as defini¸c˜oes que nos ser˜ao necess´aria para desenvolvermos nosso trabalho. Partiremos em todos os cap´ıtulos seguintes da equa¸c˜ao de Dirac escrita em (2.12). ´E claro que, quando tratarmos do espa¸co-tempo curvo e com tor¸c˜ao deveremos fazer uma modifica¸c˜ao na derivada covariante, por´em, a express¸c˜ao continua condessada na mesma forma.

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