Scuola di Fisica nucleare “R. Anni” Anni” - Otranto Terzo corso (2007) Simmetrie dinamiche nei nuclei: il modello a bosoni interagenti (IBM) e sue estensioni L.Fortunato 1 - Introduzione matematica alle algebre di Lie • Algebre di Lie, subalgebre e classificazione di Cartan • Commutatore e costanti di struttura • Rango, ordine, operatori di Casimir • Simmetrie dinamiche Sophus Lie matematico norvegese • Algebre Spectrum Generating • Rotore, momento angolare ed SO(3) L. Fortunato Algebra di Lie G={g1 , g2 , … , gn} : spazio vettoriale di dimensione n, i cui elementi siano operatori (infinitesimi), dotato di una operazione, detta prodotto di Lie o commutatore [.. , ..] tale che: • [gi , gj] = Σ ckij gk ∀ gk ∈ G → Chiusura [gi ,gj] • [a , b] = - [b , a] ∀ a,b ∈ G → Antisimmetrica • [α a+β b , c] = α [a,c]+β [b , c] • [a,[b,c]]+[b,[c,a]]+[c,[a,b]]=0 → Bilineare → id. Jacobi ckij sono le costanti di struttura ë Specificano completamente un’algebra L. Fortunato Algebre Abeliane, Abeliane, Subalgebre Invarianti Un’algebra è detta Abeliana, o commutativa, se [a , b]=0 ∀ a,b ∈ G ⇔ cost. strutt. nulle ckij =0 Una Subalgebra G’ di un’algebra di Lie G è un sottoinsieme G ⊃ G’ degli elementi di G che sia esso stesso un’algebra: • è detta propria, se almeno un elem. di G non sta in G’ • e detta invariante, se [a,b] ∈ G’ ∀ a ∈ G’ G (Subalgebra invariante = Ideale) e ∀ b∈ L. Fortunato Semplice, Semisemplice, Semisemplice, etc. etc. Un’algebra è detta semplice se non è abeliana e non ha subalgebre invarianti proprie. Un’algebra è detta semisemplice se non ha subalgebre invarianti abeliane Coroll.: semplice ⇒ semisemplice Criterio di Cartan: Un’algebra G è semisemplice se e solo se la sua forma di Killing (il tensore metrico) è non-degenere, det(g)≠ 0 gµν= cσµρ cρµσ L. Fortunato Classificazione di Cartan Tutte le algebre semisemplici sono note e classificate: Elie Joseph Cartan mat. francese L. Fortunato Operatori di Casimir e Rango Per ogni algebra si può costruire un set di operatori, detti operatori di Casimir o invarianti, C, tali che [C, Xi]=0 , ∀ Xi ∈ G Hendrik Casimir (1909-2000) fisico olandese Il numero di invarianti indipendenti è detto rango della algebra. L’ordine è il numero di operatori che formano un’algebra. L. Fortunato Esempio: Momento Angolare → so(3) L =r × p → Lx , Ly , Lz [Lx , Ly ] = iLz sono i generatori di so(3) + permutazioni cicliche sugli indici C[so(3)] = L2= Lx2 + Ly2 + Lz2 è l’operatore quadratico di Casimir (rango 1) [C , Li ] = 0 , ∀ Li ∈ SO(3) so(3) ⊃ so(2) ↓ ↓ L M | Ú Branching problem Branching rules: -L ≤ M ≤ L L. Fortunato … continua ... Occorre specificare l’azione dei generatori su una base ortonormale |LMÒ L±|LMÒ = [(L¡M)(L±M+1)]½|LM±1Ò L± = Lx ± iLy Lz|LMÒ = M|LMÒ L2|LMÒ = L(L+1)|LMÒ Applicazione nel rotore rigido: H=k L² → E=k L(L+1) con k=(h²/2I) L. Fortunato … rotori quantistici H2 HCl EJ= B J(J+1) ∆EJ= 2B(J+1) L. Fortunato Spectrum Generating Algebra (SGA) Quando, in generale, possiamo scrivere H= E0 + Σ ckXk + Σ cklXk Xl +… con Xk ∈ G come un polinomio negli elementi di un’algebra allora G è detta spectrum generating algebra (SGA) per H, perché è sempre possibile diagonalizzare (numericamente) H nella base ONC labellata da tutti i numeri quantici di un Complete Set of Commuting Operators (CSCO) di una qualunque catena di sottoalgebre di G ⊃ G’ ⊃ G’’ ⊃ … Data l’azione dei vari Xk su |α αÒ si possono sempre calcolare gli elementi di matrice di un operatore come ·α α|H|α α’Ò L. Fortunato Simmetria dinamica In casi particolari in H= E0 + Σ ckXk + Σ cklXk Xl +… con Xk ∈ G abbiamo solo alcuni termini che corrispondono ad operatori invarianti di una catena di sottoalgebre: G ⊃ G’ ⊃ G’’ ⊃ … ↓ ↓ ↓ C C’ C’’ catena di sottoalgebre H= E0 + aC + a’C’ +a’’C’’ +… in questi casi si parla di simmetria dinamica e si ha E= E0 + a‚CÚ + a’ ‚C’Ú +a’’ ‚C’’Ú +… L. Fortunato Conseguenze della simmetria dinamicadinamica-1 1) tutti gli stati sono risolubili ed esistono espressioni analitiche per l’energia e le altre osservabili E= E0 + a‚CÚ + a’ ‚C’Ú +a’’ ‚C’’Ú +… 2) tutti gli stati sono caratterizzati da numeri quantici che “etichettano” le rappresentazioni irriducibili (IRREPS) della catena di sottoalgebre α1α2...α αn〉 |α 3) la struttura delle funzioni d’onda è dettata dalla simmetria ed è indipendente dai parametri dell’hamiltoniana L. Fortunato Conseguenze della simmetria dinamicadinamica-2 Assumiamo che H commuti con un set di operatori che formano una certa algebra di Lie: Se |γγ Ò è autostato di H, allora anche gi|γγ Ò è autostato di H e si ha degenerazione. All’origine della degenerazione c’è una quantità che viene conservata, cioè esiste un invariante, che è l’operatore di Casimir di qualche gruppo. L. Fortunato Multipletti, Multipletti, degenerazione, splitting. splitting. = { | λµν Ò } base di stati ONC λ µ ν La simmetria dinamica splitta, ma non mischia gli stati di una base! L. Fortunato Degenerazione “magnetica” magnetica” M= +Jz J2 M= -Jz J1 O(3) ⊃ O(2) Gli stati con definito momento angolare totale comprendono un multipletto di sottostati con diversa terza componente: sono detti sottostati magnetici perché si separano quando il sistema è sottoposto ad un campo magnetico (effetto Zeeman) Ovvero l’interazione magnetica -µB rompe la simmetria dell’hamiltoniana. L. Fortunato Esempio: Atomo di idrogeno → so(4) Stati della hamiltoniana dell’atomo di H sono manifestamente invarianti per SO(3) L. Fortunato Ulteriore degenerazione Nello spettro si osserva un’ulteriore degenerazione in . Da dove viene? Degenerazione ⇒ Quantità conservata vettore di Runge-Lenz: [H,A]=0 ⇒ c’è un gruppo di simm. più grande che contiene sia L che A so(4) ≈ so(3)⊕ so(3) L. Fortunato Altre simmetrie dinamiche importanti From R.Bijker L. Fortunato SU(3) di “sapore” sapore” Gell-mann e Ne’eman hanno suggerito che i gradi di libertà interni degli adroni possono essere descritti in termini di una simmetria dinamica SU(3) di “flavour” Si ha la formula di massa di Gellmann-Okubo (Massa rimpiazza Energia nel formalismo relativistico) I=Isospin Y=ipercarica=2(C-Iz) From R.Bijker L. Fortunato 2- IBM, u(6) e Simmetrie Dinamiche nei nuclei • Introduzione al nucleo come sistema a molticorpi • Interacting Boson Model (IBM) ↔ u(6) • Simmetrie dinamiche nell’IBM: u(5) su(3) so(6) • Triangolo di Casten • Esempi di spettri energetici e transizioni elettromagnetiche nei tre limiti R I j ω Mod. a Shell IBM Mod. Collettivo L. Fortunato Modello a Bosoni Interagenti (IBM o IBA) u(6) → SGA per il nucleo atomico con tre simmetrie dinamiche Akito Arima e Francesco Iachello Nucleo: sistema a molti corpi composto da fermioni (1~250) dotati di spin 1/2 e di due specie, protoni e neutroni. I fermioni hanno la tendenza ad accoppiarsi in bosoni compositi (analoghi alle coppie di Cooper nei semiconduttori) di momento angolare totale 0 o 2, detti bosoni s e d rispettivamente. L. Fortunato From R.Bijker L. Fortunato Motivazioni I nucleoni di valenza hanno la tendenza a formare coppie con L=0,2. Infatti lo stato fondamentale dei nuclei pari-pari è sempre 0+, mentre il primo stato eccitato è quasi sempre un 2+ L. Fortunato MotivazioniMotivazioni-2 Gli stati collettivi di un nucleo con 2N nucleoni di valenza sono approssimati con uno stato ad N bosoni: N = n s + nd dove ns ed nd non sono necessariamente conservati, ma il numero totale di bosoni N è conservato. Se la shell è riempita fino a metà si considerano coppie di particelle, se è riempita più della metà si considerano coppie di buchi. L. Fortunato MotivazioniMotivazioni-3 C’è l’esigenza di trovare uno schema concettuale che permetta di “mettere ordine” nella complessità della spettroscopia nucleare → simmetrie! ? L. Fortunato Accoppiamento dei fermioni I fermioni (s=1/2) in una shell di valenza (j=+s) si accoppiano, di preferenza, in modo che Jtot =0,2 From T.Otsuka L. Fortunato Definizioni: Bosoni “elementari” con cui si costruisce l’IBM: bα , bα† con α=1,…,6 b1 = s b2,…,6= dµ Si costruisce l’algebra u(6) prendendo operatori bilineari: Tali da chiudersi in u(6): [Gr , Gs] = Σ ct Gt L. Fortunato Limite vibrazionale u(6) ⊃ u(5) Elementi : [s†× d](2)µ → 5 Dimensione: Algebra: 36 u(6) [d†× s](2)µ → 5 [s†× s](0)0 → 1 [d†× d](0)0 → 1 25 u(5) [d†× d](3)µ → 7 10 so(5) [d†× d](1)µ → 3 3 so(3) [d†× d](2)µ → 5 [d†× d](4)µ → 9 L. Fortunato Limite rotazionale u(6) ⊃ su(3) Elementi : Dimensione: Algebra: 36 u(6) [s†× d](2)µ → 5 [d†× s](2)µ → 5 [s†× s](0)0 → 1 [d†× d](0)0 → 1 [d†× d](3)µ → 7 [d†× d](4)µ → 9 [s†× d](2)µ+[d†× s](2)µ -√(7/2)[d†× d](2)µ → 5 [d†× d](1)µ → 3 8 su(3) 3 so(3) L. Fortunato Limite γ-instabile u(6) ⊃ so(6) Elementi : Dimensione: [s†× d](2)µ → 5 36 Algebra: u(6) [s†× s](0)0 → 1 [d†× d](0)0 → 1 [d†× d](2)µ → 5 [d†× d](4)µ → 9 [s†× d](2)µ+[d†× s](2)µ → 5 15 so(6) [d†× d](3)µ → 7 10 so(5) [d†× d](1)µ → 3 3 so(3) L. Fortunato Catene di sottoalgebre: sottoalgebre: Con gli operatori definiti nel modello si possono costruire quindi solo 3 catene di sottoalgebre, che vengono detti limiti. Esse corrispondono a simmetrie dinamiche per le quali è possibile scrivere un operatore hamiltoniano che è analiticamente risolubile. In realtà c’è una quarta catena, detta su(3), che è isomorfa ad su(3). L. Fortunato Catena I: u(6) ⊃ u(5) ⊃ so(5) ⊃ so(3) nd | nd(nd+4) v(v+3) u(6) ⊃ u(5) ⊃ so(5) ⊃ so(3) N nd v L L(L+1) Ú La base di stati è “labellata” dai numeri quantici della catena di op. di Casimir (missing label problem) L. Fortunato Catena II: u(6) ⊃ su(3) ⊃ so(3) (λ,µ) | u(6) ⊃ su(3) ⊃ so(3) N (λ,µ) L L(L+1) Ú L. Fortunato Catena III: u(6) ⊃ so(6) ⊃ so(5) ⊃ so(3) σ(σ +4) | v(v+3) L(L+1) u(6) ⊃ so(6) ⊃ so(5) ⊃ so(3) N σ v L Ú L. Fortunato Triangolo di Casten I parametri si riferiscono ad una particolare hamiltoniana, detta “Q dot Q” E’ come una mappa che mostra tutta la fenomenologia nucleare legata alle deformazioni di quadrupolo L. Fortunato Triangolo di Casten Rick Casten, YALE Possiede una ricca fenomenologia! L. Fortunato Triangolo di Casten esteso Ha in aggiunta la catena IV che corrisponde ad avere un rotore assiale oblato invece che prolato Ci sono fasi diverse e transizioni di fase → Ruben L. Fortunato Sferico, Oblato e Prolato Sferico Arancia Calcio Oblato Mandarino Lancio del disco Prolato A g r u m i Limone Rugby S p o r t L. Fortunato U(5) R4/2= 2.0 + + B( E 2;2 → 0 ) = e N Slide by D.Warner 2 B B( E 2;4 + → 2 + ) B( E 2;2 + → 0 + ) = eB2 2( N − 1) L. Fortunato SU(3) R4/2= 3.33 + + B( E 2;2 → 0 ) = e Slide by D.Warner 2 B N (2 N + 3) 5 10 ( 2 N − 2)(2 N + 5) = + + B( E 2;2 → 0 ) 7 2 N (2 N + 3) B( E 2;4 + → 2 + ) L. Fortunato O(6) R4/2= 2.5 + + B ( E 2;2 → 0 ) = e Slide by D.Warner 2 B N ( N + 4) 5 10 ( N − 1)( N + 5) = + + B ( E 2;2 → 0 ) 7 N ( N + 4) B ( E 2;4 + → 2 + ) L. Fortunato Osservabili crucialicruciali-1 Alcune osservabili aiutano a classificare uno spettro: • ratio R4/2= E(4+)/E(2+) Figure taken from P.van Isacker L. Fortunato Osservabili crucialicruciali-2 • Energia di separazione di due neutroni E(N+1)-E(N) • Posizione delle bande eccitate, altre ratios R0+/2+ • Isomere shift • Intensità delle reazioni di trasferimento • Transizioni elettromagnetiche • Ratios di B(E2) Le transizioni e.m. soddisfano a certe regole di selezione che sono imposte dalla simmetria del problema e la caratterizzano! L. Fortunato L. Fortunato Transizioni elettromagnetiche e Regole di selezione Anche l’operatore di transizione elettromagnetica può essere espresso in termini di elementi dell’algebra e si possono calcolare analiticamente gli el. di matrice. Per esempio nel caso del quadrupolo elettrico E2: Q(χχ)m =[s†×d + d†×s + χd†×d ](2)m Il calcolo della probabilità di transizione ridotta: B(E2; L → L’) = (2L’+1)/(2L+1) |‚ L’ 7 T(E2) 7 L Ú|2 implica delle regole di selezione. Per esempio nel caso di U(5) si ha: B(E2; [N],nd+1, v=nd+1, L=2nd+2 → [N],nd, v’=nd, L’=2nd )= k(2N-L’)(L’+2) Ci sono un certo numero di transizioni proibite. L. Fortunato 3- Estensioni ed IBFM • Nucleo come sistema a due tipi di particelle • Interacting Boson Model 2 (IBM2) ↔ u(6)⊕u(6) • Simmetrie dinamiche nell’IBM2 ed F-spin • Altre estensioni (breve carrellata) • Esempi di spettri energetici, scissor mode • Interacting Boson-Fermion Model (IBFM) • Superalgebra, supersimmetria dinamica, supermultipletti L. Fortunato IBMIBM-2: protoni e neutroni Nell’IBM-2 si considerano protoni e neutroni come specie diverse, ovvero si definiscono operatori di creazione e distruzione specifici: sπ sν dπ dν sπ† sν† dπ† dν† I 72 generatori di Uπ(6) ⊗ Uν(6) possono essere raggruppati in 2 insiemi: [b†πλm × bπλ’m’ ](λλ)µ → 36 operatori di tipo protonico [b†νλm × bνλ’m’ ](λλ)µ → 36 operatori di tipo neutronico L. Fortunato Catene di algebre Le algebre in gioco sono tutte bosoniche. Oltre alle catene triviali che coinvolgono separatamente ciascuna delle due algebre Uπ(6) e Uν(6), si ha Uπ(6) ⊗ Uν(6) ⊃ Uπν (6) ⊃ 3 catene ⊃ SOπν (3) I generatori di Uπν (6) sono ottenuti sommando i generatori corrispondenti di Uπ(6) e Uν(6). Esempio: Lπ,i generano SOπ(3) Lν,i generano SOν(3) Lπ,i+Lν,i generano SOπν(3) L. Fortunato F-Spin In analogia col formalismo dell’isospin possiamo interpretare i bosoni protonici e quelli neutronici come due diversi “stati di carica” dello stesso bosone con F=½ e (per convenzione) MF = –½ neutroni +½ protoni Figure taken from P.van Isacker L. Fortunato Cosa aggiunge alla fenomenologia? Predice gli stati a “forbice” Lπ=1+ (scissors mode): si interpretano, nel limite classico, come oscillazioni collettive dell’angolo tra gli assi di simmetria dei protoni e dei neutroni. Sono modi detti isovettoriali. Si rilevano andando a misurare le transizioni magnetiche M1 Lπ → (L+1)π L. Fortunato Lπ,i-Lν,i : è l’op. che induce transizioni M1 Sugli stati Lπ=1+ sono costruite delle bande con Lπ=1+, 3+, 5+, ... Stati a simmetria mista Sono detti stati a simmetria mista perché corrispondono a IRREPS che non sono totalmente simmetriche né totalmente antisimmetriche nello scambio di protoni e neutroni: [Nπ] ⊗ [Nν ] ⊃ [Nπ+Nν ,0,0,...]⊕[Nπ+Nν -1,1,0,...]⊕ ⊕[Nπ+Nν -2,2,0,...]⊕ … L. Fortunato Hamiltoniana IBM2 e interazione protoneprotone-neutrone La forma generica di una hamiltoniana bosonica nell’IBM2 è: H=E0 + επnπ + ενnν + κQ(2)πQ(2)ν + Vππ + Vπν + Vνν + Mπν ^^^^^^^^^ επ , εν : sono legati all’energia dei bosoni protonici e neutronici. Gli altri termini descrivono l’interazione tra le due componenti, tra cui domina l’interazione di quadrupolo tra protoni e neutroni. In particolare poi, l’operatore di Majorana Mπν effettua il collegamento (shift) tra stati a simmetria differente L. Fortunato Altre estensioni: IBMA -n con n=1,2,3,4 IBM Esistono altre estensioni e generalizzazioni, ma l’algebra si complica e non ce ne occuperemo. Taken from P.van Isacker L. Fortunato IBFM: Interacting Boson Fermion Model L’IBM e tutte le sue estensioni trattano le eccitazioni collettive di sistemi con un numero di particelle pari (even nuclei) in termini di un set di bosoni interagenti. F. Iachello E’ interessante estendere (Iachello & Scholten,1979) il modello ai nuclei dispari: - tutte le particelle, eccetto una, sono accoppiate in bosoni s e d - la particella rimanente viene trattata esplicitamente come un fermione che si muove in un certo orbitale Olaf Scholten L. Fortunato IBFM: Interacting IBM Boson ed IBFM Fermion Model Nei sistemi dispari, oltre all’accoppiamento dei fermioni in coppie con L=0,2 c’è sempre anche un fermione spaiato che interagisce col resto dei bosoni di valenza: VBB VBF L. Fortunato IBFM, Superalgebra e Supersimmetria Set di operatori bosonici e fermionici che soddisfino a certe regole → Superalgebra o algebra di Lie gradata Set: X → elementi bosonici Y → elementi fermionici 1) Relazioni di commutazione/anticommutazione: (c,d,f sono le costanti di struttura “gradate”) L. Fortunato 2) Super-identità di Jacobi: U(n/m) può essere realizzata con le prodotti bilineari di op. di creazione e distruzione L. Fortunato Classificazione delle superalgebre La loro classificazione è nota (1975-77) Victor Kac, matematico russo L. Fortunato Estensione Alle superalgebre si possono estendere tutti i concetti già visti: • esistono delle super-rappresentazioni • esistono dei super-operatori di Casimir che commutano con tutti gli operatori della superalgebra • esistono le spectrum generating superalgebras • esistono le supersimmetrie dinamiche L. Fortunato Operatori nell’ nell’IBFM Ω è la dimensione dello spazio fermionico L. Fortunato IBM + fermione con j=3/2 =3/2 Consideriamo il caso dell’IBM + un fermione in un’orbita con j=3/2: la superalgebra di Lie è U(6/4) L. Fortunato Esempi di “Lattice” Lattice” o reticolo di superalgebre L. Fortunato Esempi di “Lattice” Lattice” o reticolo di superalgebresuperalgebre-2 UB(6) ⊃ … ⊃ SOB(3) UF(4) ⊃ … ⊃ SUF(3) Le due catene vanno combinate in una catena unica UB(6) ⊗ UF(4) ⊃ SOB(6) ⊗ SUF(4) ⊃ Spin(6) ⊃ Spin(5) ⊃ Spin(3) L. Fortunato Classificazione degli stati Le catene forniscono un modo di classificare gli stati Sono i n.q. necessari L. Fortunato Esempio di Hamiltoniana e di spettro analitico L. Fortunato Supermultipletti di U(6/12) Ad una certa REP del supergruppo si associa un set di REP dei sottogruppi che corrispondono a nuclei diversi! L. Fortunato Confronto tra teoria ed esperimento Qualitativamente eccellente, quantitativamente buono L. Fortunato Altro Un altro esempio di applicazione dell’IBFM: 196-Au L. Fortunato Ad nauseam L. Fortunato Supersimmetrie dinamiche protoneprotone-neutrone pari-pari dispari-pari Nν +1, Nπ +1 194Pt Nν , Nπ +1, jν ï ê 195Au 194Pt ê ï Nν +1, Nπ , jπ pari-dispari 196Au Nν ,Nπ , jν , jπ dispari-dispari U(6/12)ν ⊗ U(6/4)π L. Fortunato Reazioni di trasferimento di un nucleone Le reazioni di trasferimento di un singolo nucleone (neutrone o protone) forniscono un test cruciale per la supersimmetria. L’operatore di trasferimento è: σ[sπ T1 = -σ × a†π, 3/2](3/2)m + θ[dπ × a†π, 3/2](3/2)m θ[sπ × a†π, 3/2](3/2)m + σ[dπ × a†π, 3/2](3/2)m T2 = gs gs, exc è un tensore sotto trasformazioni indotte da Spin(6), quindi dà luogo a regole di selezione ed espressioni analitiche per le intensità di transizione. Esempio : 194Pt → 195Au Le intensità teoriche e sperimentali sono Rexc=0 Exp=0.019 Rgs= 1.12 Exp=1.175 L. Fortunato Messaggio da portare a casa e conservare • Alcuni modelli semplici possono essere scritti “naturalmente” in termini di operatori di creazione e distruzione. • Ad essi si associa un’algebra che sottende ad una simmetria dinamica. • Sapendo trattare matematicamente l’algebra si ottengono soluzioni analitiche che possono essere usate come modelli e confrontate con i dati sperimentali (non solo: si ottengono anche nuove soluzioni inaspettate!) • L’algebra inquadra concettualmente un sistema complesso e fornisce anche nuova fisica!! L. Fortunato