Skyrmion, Soliton, Baryon, Pemetaan Harmonik dan Teori Medan

Skyrmion, Soliton, Baryon, Pemetaan Harmonik dan Teori Medan Miftachul Hadi1 , Hans J. Wospakrik2

1

Applied Mathematics for Biophysics Group Physics Research Centre LIPI

Puspiptek, Serpong, Tangerang 15314, Banten, Indonesia E-mail: [email protected]

2

Department of Physics

Institute Technology of Bandung Jl. Ganesha 10, Bandung, Indonesia

Buku-E LIPI http://www.buku-e.lipi.go.id 2008

Daftar Isi 1 Skyrmion

1

1.1

Apa itu Skyrmion? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2

Skyrmion sebagai Hadron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.3

Bilangan Lilitan sebagai Bilangan Baryon . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.4

Bilangan Baryon dan Hukum Kekekalan . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.5

Dugaan Skyrme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.6

Model Nukleon Tunggal: Model sine-Gordon . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.7

Energi Skyrmion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2 Soliton 2.1

8

Teori Medan Kuantum dan Fisika Soliton . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

3 Model Skyrme

10

4 Baryon dan Bilangan Baryon

13

5 Pemetaan Harmonik

14

5.0.1

Koordinat Bola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

5.0.2

Model σ O(3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

5.0.3

Pengertian ”Komponen Internal” Medan . . . . . . . . . . . . .

15

5.0.4

Grup Ortogonal, O(n) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

6 Solusi Klasik, Integral Lintasan Feynman dan Fisika 6.1

Medan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i

22 22

DAFTAR ISI 7 Persamaan Medan Einstein 7.1

Pemetaan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 23 23

Ringkasan Draf awal yang masih sangat kasar membahas Skyrmion, Soliton, Baryon, Pemetaan Harmonik dan Teori Medan. Draf ini masih terus dikembangkan.

Bab 1 Skyrmion 1.1

Apa itu Skyrmion?

Skyrmion adalah kandidat deskripsi soliton untuk nuklir. Jumlah soliton diidentifikasi dengan bilangan baryon, dimana bilangan baryon diidentifikasi dengan bilangan lilitan (winding number). Dalam fisika teoritik, Skyrmion, yang disusun oleh Tony Hilton Royle Skyrme, adalah model matematika yang digunakan untuk memodelkan baryon (partikel subatom). Skyrmion adalah solusi klasik non-trivial homotopi model sigma nonlinier dengan topologi manifold target non-trivial meson dimana manifold target adalah ruang homogen dari SU (N )L × SU (N )R (grup struktur),

µ

SU (N )L × SU (N )R SU (N )diag

(1.1) ¶

(1.2)

dimana SU (N )L dan SU (N )R adalah salinan kiri dan kanan berturut-turut, SU (N )diag adalah subgroup diagonal. Jika ruang-waktu memiliki topologi S 3 ×R (untuk ruang dan waktu berturut-turut), maka konfigurasi klasik diklasifikasi oleh integral bilangan lilitan karena grup homotopi ketiga, π3

µ

SU (N )L × SU (N )R ∼ = SU (N ) SU (N )diag 1

¶

=Z

(1.3)

BAB 1. SKYRMION

2

(tanda kongruen di sini merujuk ke homeomorphisme, bukan isomorhisme). Adalah mungkin untuk menambah suku topologi ke dalam lagrangian chiral dimana integral hanya gayut pada kelas homotopi. Hasil ini dalam sektor superseleksi dalam model terkuantisasi. Skyrmion telah digunakan untuk memodelkan baryon. Skyrmion sebagai solusi persamaan nonlinier medan Skyrme, diturunkan dari model sigma (chiral) nonlinier termodifikasi, yang diperoleh dengan komputasi numerik.

1.2

Skyrmion sebagai Hadron

Ide bahwa partikel elementer, khususnya nukleon, merupakan fenomena soliton pertama kali dikemukakan oleh fisikawan-matematikawan Inggris, Tony Hilton Royle Skyrme pada tahun 1962 (saat itu, Skyrme sedang dikontrak untuk mengembangkan Departemen Matematika di Universiti Kebangsaan Malaysia). Pada dasarnya, Skyrme mengemukakan bahwa partikel berinteraksi kuat (hadron) adalah solusi statik terkonsentrasi secara lokal dari teori medan klasik model sigma (chiral) nonlinier yang diperluas. Ide Skyrme menggabungkan fermion (partikel materi) dan boson (partikel interaksi) dalam suatu model medan fundamental yang hanya terdiri dari partikel pi-meson (pion) yakni salah satu anggota keluarga boson. Fermion dalam hal ini nukleon diperoleh, sebagai bentuk konfigurasi klasik tertentu dari medan pion. Konfigurasi istimewa ini membentuk objek soliton topologi, yang kemudian diberi nama Skyrmion untuk menghargai jasa Tony H.R. Skyrme. Dalam paper-paper awal di akhir tahun 1950-an, Tony Skyrme mengajukan model fluida meson, untuk menjelaskan data pengukuran jari-jari nuklir. Sejauh yang diketahui dari paper-papernya, Skyrme tidak pernah meyakini validitas deskripsi partikel dalam kerangka kerja teori medan linier dengan pola renormalisasi. Oleh karena itu sebagai konsekuensinya, ia mencari teori medan nonlinier yang memperkenankan deskripsi partikel sebagai objek diperluas.

BAB 1. SKYRMION

3

Ide Skyrme memperoleh dukungan dari paper-paper lama Kelvin yang mendeskripsikan struktur atom sebagai atom vorteks. Kelvin mengajukan hipotesa bahwa seluruh benda tersusun dari atom-atom vorteks dalam fluida homogen. Konsep topologi, pertama-tama diperkenalkan oleh Kelvin dalam teori atom vorteksnya dengan menyatakan bahwa jenis-jenis atom berbeda satu sama lain bersesuaian dengan jumlah persimpangan cincin-cincin vorteks. Model Skyrme, yang saat ini dikenal sebagai model hadron, mendeskripsikan partikel diperluas sebagai jenis nuklir vorteks. Untuk memperoleh kestabilan dinamis, ia memperkenalkan ke dalam Lagrangian (3+1 dimensi) model sigma (chiral) sebuah suku orde keempat dalam turunan medan meson, yang kemudian dikenal sebagai suku Skyrme.

1.3

Bilangan Lilitan sebagai Bilangan Baryon

Bayangkan sebuah titik, katakanlah titik x dan kurva C. Secara intuitif, bilangan lilitan dari kurva k berkaitan dengan titik x adalah jumlah berapa kali kurva k mengelilingi titik x dalam arah berlawanan jarum jam. Dalam makna matematika, bilangan lilitan adalah invariansi topologi, yakni sifat ruang topologi yang invarian dalam homeomorphisme. Secara kasar dikatakan, ruang topologi adalah objek geometri dan homeomorphisme adalah peregangan kontinu atau pelenturan suatu objek menjadi bentuk baru. Sebagai ilustrasi invariansi topologi, kue donat dan cangkir bertangkai satu adalah identik. Yakni, bentuk kue donat tersebut dapat ”dibuat sedemikian sehingga” menjadi bentuk cangkir bertangkai satu dengan cara menarik, mengulur tanpa memotong atau merobek.

1.4

Bilangan Baryon dan Hukum Kekekalan

Dalam fisika, khususnya dalam peristiwa tumbukan partikel, selalu dicari ”sesuatu yang kekal” yakni memenuhi hukum kekekalan. Bilangan baryon adalah bilangan kuantum kekal aproksimasi, yakni hampir kekal dalam seluruh interaksi. Kekal berar-

BAB 1. SKYRMION

4

ti, jumlah bilangan baryon dari seluruh partikel datang sama dengan jumlah bilangan baryon dari seluruh partikel hasil dalam suatu reaksi. Kuantitas kekal demikian adalah ciri umum untuk membatasi tipe-tipe reaksi yang mungkin antara baryon. Bilangan baryon sistem dapat didefinisikan sebagai sepertiga dari jumlah kuark dikurangi jumlah antikuark sistem. Baryon dinyatakan dengan bilangan +1, antibaryon dinyatakan dengan bilangan -1, sedangkan partikel selain keduanya dinyatakan dengan bilangan 0. Dalam fisika, sebagian besar kuantitas invarian (yakni kuantitas kekal) biasanya diturunkan dari simetri aksi (teorema Noether). Akan tetapi, terdapat sekelompok kuantitas kekal yang tidak dapat diturunkan dengan cara demikian. Sebagai ganti, kuantitas kekal diperoleh dari tinjauan topologi. Bilangan lilitan termasuk kategori kuantitas kekal jenis ini.

1.5

Dugaan Skyrme

Skyrme mengidentifikasi bilangan lilitan invarian topologi sebagai bilangan baryon. Apa alasan Skyrme mengidentifikasi bilangan lilitan invarian topologi sebagai bilangan baryon? Pada awalnya, Skyrme hanya menyatakan hal tersebut namun pekerjaan Witten menunjukkan bahwa identifikasi Skyrme adalah interpretasi yang benar dengan meninjau arus baryon tergandeng dalam teori medan untuk kasus bilangan warna yang besar. Dalam pekerjaan awal Skyrme, tidak begitu jelas terlihat bahwa muatan topologi dapat diidentifikasi sebagai bilangan baryon. Namun, terdapat kekekalan muatan topologi dan model Skyrme mendeskripsikan partikel berinteraksi kuat, sehingga identifikasi muatan topologi dengan bilangan baryon adalah harapan alami yang memandu pada konsekuensi kesesuaian yang dekat secara wajar dengan eksperimen. Pada waktu belakangan, melalui pekerjaan Witten dan koleganya dalam model Skyrme untuk tiga ”cita rasa”, flavor (flavor adalah salah satu ciri kuark, partikel penyusun nukleon) terdapat formula untuk muatan listrik dari Skyrmion terkuantisasi

BAB 1. SKYRMION

5

yang nilainya merupakan kontribusi dari komponen isospin ketiga dan muatan topologi. Dalam fisika partikel, diketahui bahwa partikel berinteraksi kuat mematuhi relasi tersebut, dimana muatan topologi diidentifikasi sebagai bilangan baryon. Alasan lain ditunjukkan dalam teorema indeks Atiyah-Singer yang menghubungkan bilangan lilitan sebagai kuantitas topologi dari medan pion.

1.6

Model Nukleon Tunggal: Model sine-Gordon

Model sine-Gordon dalam dua dimensi diperlukan sebagai bentuk analogi sederhana dari model nukleon tunggal, yakni ”twist” dalam fluida. Persamaan ini dijumpai, sebagai misal, dalam teori dislokasi logam, teori simpangan Josephson dan juga digunakan dalam interpretasi proses biologi tertentu seperti dinamika DNA. Skyrme tertarik dengan persamaan nonlinier sine-Gordon yang melibatkan variabel medan. Solusi persamaan nonlinier sine-Gordon tersebut memunculkan ide adanya ”kink” (kusutan) atau singularitas yakni berupa ”loop” yang meliliti katakanlah, suatu lingkaran. Model Skyrme Dua Flavor untuk Hadron: Model Skyrme dua flavor adalah model hadron (baryon plus meson) yakni Skyrmion yang masih sangat sederhana, karena hanya melibatkan dua flavor. Dinamika Skyrmion ditunjukkan oleh persamaan Euler-Lagrange atau persamaan Skyrme. Energi model ini diturunkan dari tensor energi-momentum terkait. Sifat soliton dari energi statik model Skyrme dua flavor dipelajari dengan cara menskala koordinat ruang, kemudian menguji kestabilan skala dengan cara mentransformasi skala. Syarat kestabilan mengimplikasikan bahwa energi statik adalah stabil terhadap perturbasi skala. Energi-massa nukleon dan delta merupakan kontribusi dari energi-massa statik dan energi-massa rotasinya. Adanya selisih energi-massa dari hasil eksperimen dan model, antara lain, dikarenakan Skyrmion sebagai hadron dalam model Skyrme dua flavor hanya melibatkan dua flavor, ketimbang tiga flavour yang lebih natural. Juga dalam

6

BAB 1. SKYRMION

model ini belum dimasukkan misalnya, efek perusakan simetri chiral dan simetri flavor yang dapat berkontribusi terhadap energi-massa hadron. Orde koreksi bilangan warna terhadap massa nukleon dalam teori medan belum dimasukkan. Model Skyrme dapat diperluas untuk tiga flavor, empat flavor hingga N flavor: konsekuensi apa yang terjadi? [1, 2, 3]. (1) Apakah dari energi total skyrmion selalu dapat dicari massa partikel? Bagaimana jika massa partikel sama dengan nol? Formulasi skyrmion untuk hadron, skyrmion untuk partikel lain (misal: elektron, neutrino) belum dikerjakan. (2) Apakah energi total skyrmion hanya terdiri dari energi statik ditambah energi rotasi? Tidak. Misal ditambah energi sebagai kontribusi dari efek Coriolis. (3) Apakah skyrmion juga bergerak translasi? Ya. (4) Apakah massa nukleon diukur dalam kondisi nukleon statik dan berotasi saja? Nukleon spinnya 21 , jadi sudah dalam keadaan rotasi ”di tempat”. (5) Dalam tinjauan ”point particle”, L menunjukkan interaksi antar partikel, apakah Lagrangian dalam model Skyrme menunjukkan interaksi antar soliton? Lagrangian model Skyrme: · ¸ ¢ F2 1 F 2 2 ¡ −1 µ µ ν L = Tr − Lµ L + M U + U − 2I [Lµ , Lν ] [L , L ] + 16 32a2 16 π

Suku pertama adalah ”suku kinetik”, suku kedua adalah ”suku potensial”, sedangkan suku ketiga adalah suku massa ”pion”. Teori Medan Kuantum (QFT):

L = (∂0 φ∂0 φ) + suku potensial | {z } suku kinetik

BAB 1. SKYRMION

7

(6) Apakah Lagrangian model Skyrme juga memenuhi prinsip-prinsip simetri? Ya. Misal: simetri ruang-waktu Lorentz, simetri internal SU(2) global (simetri chiral). (7) Apakah massa skyrmion (misal: nukleon, delta) terbedakan hanya karena efek rotasi? Ya! Selain itu ada juga yang dikarenakan perbedaan hypercharge, Y , yang dikonstruksi dari grup SU(3). (8) Apakah massa nukleon sama dengan massa (proton = neutron)? Massa nukleon adalah massa neutron atau massa proton.

1.7

Energi Skyrmion

• Energi statik baryon (nuklelon, ∆, ...) dalam interaksi kuat adalah sama. • Energi baryon dalam interaksi medium (karena rotasi) terbedakan dalam urutan menurun, partikel ∆ (spin, J = 32 ), nukleon (spin, J = 21 ). • Energi partikel ∆ dalam interaksi elektromagnetik terbedakan dalam urutan menurun ∆++ , ∆+ , ∆0 , ∆− , karena beda muatan (mereka memiliki spin yang sama, isospin, I3 yang dikonstruksi dalam grup SU(2)). • Energi nukleon dalam interaksi elektromagnetik terbedakan dalam urutan menurun, proton, neutron, karena beda muatan (proton bermuatan positip, neutron tidak bermuatan).

Bab 2 Soliton Solusi persamaan medan nonlinier dan partikel yang muncul: • Solusi persamaan medan Skyrme untuk baryon dalam interaksi kuat adalah skyrmion. • Solusi persamaan medan Einstein dalam interaksi gravitasi adalah black holes. • Solusi persamaan medan Yang-Mills (self dual Yang-Mills) adalah instanton, dikonstruksi secara teoritik dalam QCD. • Solusi persamaan medan Higgs adalah monopol, bagaimana dengan hasil eksperimen? • Solusi persamaan medan yang memunculkan elektron, neutrino, ...? Syarat terjadinya soliton: • Gelombang laut dangkal. • Gangguan tertentu.

2.1

Teori Medan Kuantum dan Fisika Soliton

• Dalam tinjauan Teori Medan Kuantum, baryon tersusun dari tiga kuark, misal uud, dan interaksi (potensial) diantara mereka. 8

BAB 2. SOLITON

9

• Dalam tinjauan Fisika Soliton, baryon dimodelkan sebagai fluida skyrmion, dimana skyrmion ditunjukkan oleh vorteks-vorteks (”seperti pusaran air”). Dari model fluida skyrmion dapat diturunkan potensial (interaksi) antara quark dalam Teori Medan Kuantum.

Bab 3 Model Skyrme • Dalam model Skyrme, partikel adalah solusi persamaan fisika nonlinier. • Dalam Teori Medan Kuantum, partikel adalah solusi persamaan medan linier. • Jika ”number of colour” dari QCD yakni NC → ∞ maka diperoleh solusi soliton. • Model Skyrme untuk dua flavour, misalnya neutron, baryon ∆ terbedakan massanya karena rotasi (bilangan kuantum momentum anguler, j, beda). • Dalam model Skyrme untuk tiga flavour terdapat suku Wess-Zumino, dimana rotasi dikuantisasi. • Model Skyrme meninjau pion sebagai partikel skalar. • Model Skyrme SU(n), untuk n=2,3,4... , dicoba satu-satu! • Stabil→ekstrim minimum. • Tak stabil→ekstrim maksimum. • Solusi stabil→topologi. • Muatan topologi→bilangan baryon (dalam setiap reaksi ”conserved”). • Setiap kuantitas fisis yang kekal (tak berubah) terhadap waktu adalah ”charge” (momentum, ...) 10

BAB 3. MODEL SKYRME

11

• Self Dual Yang-Mills, medan listrik, E = B, medan magnet, E1 = B1 , E2 = B2 , E3 = B3 . • Dalam model Skyrme, massa nukleon, ∆, dikonstruksi dari teori. Dalam Teori Medan Kuantum, massa nukleon, ∆, diberikan begitu saja! • Model Skyrme dapat menerangkan pentakuark, dikuark, sedangkan QCD tidak bisa. • Model Chiral tanpa suku Skyrme adalah model linier. • Soliton nontopologi: chaos, energi tak memusat tetapi menyebar, fenomena angin topan. • Kontributor massa skyrmion dalam model Skyrme: interaksi flavour, interaksi colour, muatan, energi statik, energi rotasi, energi dari efek Coriolis, .... • Teori Yang-Mills adalah teori nonabelian (nonkomutatif), [T a , T b ] = if abc T c . Jika T a = T b , maka [T a , T a ] = 0 (komut). Jika terdapat minimum satu relasi tak komut, maka suatu teori adalah nonabelian! f abc bisa bernilai =3. • SU (Nf ), Nf jumlah flavour, flavour → interaksi lemah. Untuk Nf = 2, SU(2), maka terdapat 22 − 1 parameter, yakni 3 partikel medan (misal, W+, W-, Z). Nf = 2, misal kuark up, down → proton (uud), neutron (udd), ∆++ (uuu), kombinasi bisa dari up-down, up-up, down-down. • Energi berhingga → soliton stabil. Bilangan kuantum, j, kecil → soliton stabil. Untuk bilangan kuantum, j, besar (kecepatan sudut besar) → energi besar → soliton tak stabil. • Jari-jari muatan nukleon → muatan listrik terdistribusi di seluruh volume bola R skyrmion, hrB i = d3 rJ0B (r)r, dimana hrB i adalah ukuran soliton/skyrmion, J0B adalah arus baryon.

12

BAB 3. MODEL SKYRME • Dalam tinjauan elektromagnetik, jari-jari muatan nukleon adalah: R hri = d3 rJ0EM (r)r, dimana J0EM adalah arus elektromagnetik.

• Mengapa perlu persamaan Euler-Lagrange, jika soliton dalam keadaan statik (ditunjukkan oleh energi statik)? Persamaan Euler-Lagrange tak perlu harus melibatkan parameter waktu dan tak perlu menunjukkan dinamika partikel. • Solusi statik model Skyrme untuk energi terendah (minimum). Jika untuk energi statik (berlaku), maka solusi untuk energi tereksitasi (energi rotasi + energi muatan + energi efek Coriolis + energi kontribusi warna + energi suku Wess-Zumino + ...) juga berlaku. • Rapat energi adalah fungsi, energi adalah angka. • Dapat dibilang soliton adalah fungsi profil, dimana dari fungsi profil diperoleh energi soliton.

• Solusi soliton bersifat non singular, ”smooth solution”, misal seperti bentuk fungsi profil. • Fungsi singular, misal

1 , R

untuk R = 0 maka

1 0

→ ∞.

• Vortices berotasi → skyrmion terkuantisasi (momentum sudut). • Soliton sebagai partikel → solusi medan (bukan aproksimasi). • Energi skyrmion → kuantisasi untuk energi eksitasi. • Soliton → solusi stabil dengan nilai energi terbatas yang minimum (rapat energimassa tersebar dalam daerah terbatas). • Fluida skyrmion → 3 dimensi. • Kuantisasi momentum sudut soliton → kuantisasi momentum sudut vortex.

Bab 4 Baryon dan Bilangan Baryon • Bilangan baryon menunjukkan jumlah partikel. • Nukleon tunggal memiliki bilangan baryon, B = 1. • Deuteron terdiri dari 1 proton dan 1 neutron, yakni terdiri dari 2 vorteks, memiliki bilangan baryon, B = 2. • Triton terdiri dari 1 proton dan 2 neutron memiliki bilangan baryon, B = 3. • Inti atom = ΣN n=1 nukleon memiliki bilangan baryon, B = N , sebagai nomor massa.

13

Bab 5 Pemetaan Harmonik 5.0.1

Koordinat Bola

Tinjau koordinat bola sebagai berikut x = R sin θ cos φ y = R sin θ sin φ z = R cos φ ∂x ∂x dθ + dφ ∂θ ∂φ dy = ....

dx =

dz =

∂z dφ ∂φ

Buktikan ds2 = dx2 + dy 2 + dz 2 ¢ ¡ ds2 = R2 dθ2 + sin2 θdφ2

= gθθ dθ2 + 2gθφ dθdφ + gφφ dφ2

dimana untuk komponen gθφ = 0, yakni ortogonal.

14

15

BAB 5. PEMETAAN HARMONIK

5.0.2

Model σ O(3)

Grup O(3) adalah grup ortogonal dengan tiga buah ”komponen internal” medan ”skalar”, yakni (Φ1 , Φ2 , Φ3 ). Medan didefinisikan sebagai fungsi titik dalam ruang. Contoh medan skalar adalah suhu. Model σ dicirikan oleh • Terdapat ”kendala” antara Φ1 , Φ2 , Φ3 , yang dalam hal ini adalah (Φ1 )2 + (Φ2 )2 + (Φ3 )2 = 1. 2

2

2

• Medan plus konstrain: (Φ1 , Φ2 , Φ3 ), (Φ1 ) + (Φ2 ) + (Φ3 ) = 1.

5.0.3

Pengertian ”Komponen Internal” Medan

Tinjau medan listrik, E E = (Ex , Ey , Ez ) . | {z } komponen eksternal

Jika dinyatakan dalam bentuk matriks, diperoleh 

(1) Ex

(1) Ey

(1) Ez



  ¡ ¢ ¡ ¢  (2)  Ex Ey(2) Ez(2)  = Ex(a) , Ey(a) , Ez(a) = Eµ(a)   (3) (3) (3) Ex Ey Ez dimana arah vertikal adalah medan internal, sedangkan arah horisontal adalah medan eksternal.

5.0.4

Grup Ortogonal, O(n)

Grup O(n) berordo n × n dan memiliki 12 n(n − 1) parameter. Grup O(n) memenuhi sifat berikut

  1 0 0     T O O = I = 0 1 0   0 0 1

16

BAB 5. PEMETAAN HARMONIK dimana O = eα

(a) T (a)

dan transposenya adalah OT = eα

(a) (T (a) )T

α adalah parameter yang menentukan matriks basis, T (a) adalah generator yang bersiT

fat antisimetrik, T (a) = −T (a) . Sehingga diperoleh O T O = eα

(a) (T (a)T

+T (a) )

.

Jika sifat antisimetrik dimasukkan, maka diperoleh OT O = eα(a)(−T

(a) +T (a) )

= eα(a)(0) = e0 = 1. Grup ortogonal dan sifat dapat juga dinyatakan dalam bentuk O = eX dimana X = α(a) T (a) . Sehingga OT O = I, T

eX eX = I, eX

T +X

= I.

dimana X T + X = On×n . Definisi deret ec = 1 + c + Matriks berikut  0 a12   −a12 0  −a13 −a23

c2 + ... . 2!

dapat diuraikan dalam bentuk        0 1 0 0 0 1 0 0 0 a13               = a + a + a    .    −1 0 0 0 0 0 0 0 1 a23 12 13 23  |{z}   |{z}    |{z}  α1 α2 α3 0 0 0 −1 0 0 0 −1 0 0 | | | {z } {z } {z } T1

T2

T3

17

BAB 5. PEMETAAN HARMONIK

Dalam matematika, representasi dapat dinyatakan dalam bentuk matriks, operator diferensial dan integral, fungsi. Grup O(3) adalah grup matriks transformasi koordinat yang mempertahankan panjang vektor dalam R3 invarian, ′

′

′

(Φ1 )2 + (Φ2 )2 + (Φ3 )2 = (Φ1 )2 + (Φ2 )2 + (Φ3 )2 . Koordinat dalam R3 interval (Φ1 , Φ2 , Φ3 ) = Φ(a) Transformasi koordinat ′

Φ(a) = R.ba Φ(b) → Φ′ = RΦ ′

′

′

Φ(a) Φ(a) = Φ(a) Φ(a) → Φ T Φ′ = ΦT Φ Sehingga dapat dinyatakan ′

Φ T Φ′ = ΦT Φ (RΦ)T (RΦ) = ΦT Φ ΦT RT RΦ = ΦT Φ dimana RT R = I. Representasi medan   Φ1     Φ = Φ2  → ΦT = (Φ1 , Φ2 , Φ3 )   Φ3 Tinjau pemetaan berikut

t → [Φ1 (t), Φ2 (t), Φ3 (t)] : R1 → R3 x, y → [Φ1 (x, y), Φ2 (x, y), Φ3 (x, y)] : |{z} R2 → |{z} R3 eksternal

2

µ

ν

2

A

internal

B

ds = gµν dx dx → dσ = GAB dΦ dΦ

Dalam pemetaan harmonik, dipenuhi syarat-syarat berikut (1) Φ = (Φ1 , Φ2 , Φ3 ) memenuhi kendala.

18

BAB 5. PEMETAAN HARMONIK (2) Φ memenuhi persamaan Euler-Lagrange dari aksi S

S=

Z

√ dn x g L, | {z } eksternal

dimana g = det(gµν ), L adalah rapat Lagrangian. Untuk permukaan (dua dimensi) berlaku

s2 (θ, Φ) → ds2 = R2 [dθ2 + sin2 θ dΦ2 ] dimana gθθ = R2 , gΦΦ = R2 sin2 θ, gθΦ = 0 = gΦθ .     R2 0 gθθ gθΦ  = g= 2 2 0 R sin θ gΦθ gΦΦ g = det(g) = R4 sin2 θ √

g = R2 sin θ

Pemetaan berikut berlaku Z dr dθ dΦ (r2 sin θ) → {z } | integral volume koordinat bola

Z

dθ dΦ (R2 sin θ) | {z }

integral permukaan, r = R =konstan

Untuk pemetaan harmonik, Lagrangian dibentuk dari ”metrik ruang internal” sebagai berikut dσ 2 = GAB dΦA dΦB µ A ¶µ B ¶ ∂Φ ∂Φ µ ν = GAB dx dx ∂xµ ∂xν ∂ΦA ∂ΦB dxµ dxν . = GAB ∂xµ ∂xν Notasi sumasi Eistein ∂ΦA µ ∂ΦA 1 ∂ΦA 2 dx = dx + dx + ... ∂xµ ∂x1 ∂x2

dimana µ = 1, 2, ... . Secara intuisi, dσ 2 → L, diperoleh L = GAB

∂ΦA ∂ΦB µν g . ∂xµ ∂xν

19

BAB 5. PEMETAAN HARMONIK

Dalam tinjauan model σ O(3), (Φ1 , Φ2 , Φ3 ) : (Φ1 )2 + (Φ2 )2 + (Φ3 )2 = 1. Parameterisasi dengan koordinat bola internal (Θ, Φ) Φ1 = R sin Θ cos Φ Φ2 = R sin Θ sin Φ Φ3 = R cos Θ Dalam hal ini, diperoleh metrik berikut dσ 2 = R2 (dΘ2 + sin2 Θ dΦ2 ) ≡ GΘΘ dΘ2 + GΦΦ dΦ2 Lagrangian diperoleh (secara intuisi) sebagai berikut µ

∂Θ L = R ∂xµ µ ∂Θ = R2 ∂xµ 2

∂Θ + sin2 Θ ∂xν ∂Θ + sin2 Θ µ ∂x

∂Φ ∂xµ ∂Φ ∂xµ

¶ ∂Φ g µν ∂xν ¶ ∂Φ . ∂xµ

Pilih gµν diagonal, sehingga ¡ ¢ L = R2 ∇Θ . ∇Θ + sin2 Θ ∇Φ . ∇Φ yang bersesuaian dalam paper Misner. Tinjau aksi berikut S =

Z

= R2

d3 x L Z

d3 x

"µ

∂Θ ∂xµ

¶2

+ sin2 Θ

µ

∂Φ ∂xµ

¶2 #

.

Tinjau variasi berikut Θ → Θ + δΘ, Φ → Φ + δΦ. Variasi aksi diperoleh " µ ¶ µ ¶ µ ¶2 ¶ µ ¶# µ Z ∂Θ ∂Φ ∂Φ ∂Φ ∂Θ . δ + 2 sin Θ cos ΘδΘ + sin2 Θ 2 µ δ δS = R2 dn x 2 ∂xµ ∂xµ ∂xµ ∂x ∂xµ

20

BAB 5. PEMETAAN HARMONIK Gunakan turunan parsial " ½ µ ¶ ¾ ¶2 µ Z ∂ ∂2Θ ∂Θ ∂Φ 1 2 n δS = R d x 2 δΘ − 2 µ2 δΘ + 2 sin Θ cos Θ δΘ ∂xµ ∂xµ ∂xµ ∂x · µ ¶ ¸ ½ · µ ¶¸¾ ¸ ∂ ∂Φ ∂Φ ∂ 2 2 + sin Θ 2 µ δΦ − sin Θ 2 µ δΦ . ∂xµ ∂x ∂xµ ∂x Beberapa relasi berguna: δ

µ

∂A ∂xµ

¶

∂ (δA) ∂xµ g = (gµν ) =

g µν = g −1 gµν g νρ = δµρ gg −1 = I  g =  

g −1 =  

gg −1 = 

R2

0

 R sin Θ  2

2

0 a b c d





aR2

bR2



 cR sin Θ R sin Θd     2 2 1 0 aR bR   =   2 2 2 2 0 1 cR sin Θ R sin Θd 2

aR2 = 1 → a =

R2 sin2 Θd = 1 → d = Karena gg −1 maka a=

2

2

1 R2

1 R2 sin2 Θ

  1 0  = 0 1

1 1 , b = 0, c = 0, d = 2 2 . 2 R R sin Θ

2

21

BAB 5. PEMETAAN HARMONIK gΘgΘ =

1 sin2 Θ = gΘΘ g ΘΘ +

gΦgΦ = gΘa g aΘ

1 R2 R2

gΘΦ |{z}

Θ g ΦΘ = δΘ = 1.

=0, ortogonal

Misal x=

v w u , y= , z= t t t

dimana x adalah tak homogen (”affine”). u2 + v 2 + z 2 = t2 u2 + v 2 + z 2 − t2 = 0 (homogen) u2 + v 2 + z 2 = (xt)2 + (yt)2 + (zt)2 = x2 t2 + y 2 t2 + z 2 t2 = t2 (x2 + y 2 + z 2 ) = t2

Bab 6 Solusi Klasik, Integral Lintasan Feynman dan Fisika • Solusi Klasik (Eksak)→Integral Lintasan Feynman→Fungsi Green→Fisika (Perilaku dan Ciri). • Solusi Klasik (Eksak)→Fisika (Perilaku dan Ciri).

6.1

Medan

• Vektor meson, spin 1, misal W. ¢ ¡ • Persamaan medan Skyrme, ∂a La − 41 [...] = 0, indeks di supercript dan subcript agar bisa dikonstraksi.

• Spin 0 dan paritas -1, medan pseudoskalar. • Medan skalar, spin 0, paritas +1. Medan vektor, spin 1. • Φ(−~x) = (−)Φ(~x) → pseudoskalar. • Aµ (−~x) = (−)Aµ (~x) → pseudovektor.

22

Bab 7 Persamaan Medan Einstein Solusi persamaan medan Einstein: • Solusi Schwarchild → bintang statik. • Solusi Kerr → bintang berotasi (bagaimana jika bentuk bintang agak pipih?). • Solusi Ernst (?) → bintang bermuatan. • Solusi Skyrme → bintang dengan muatan topologi. • Solusi Yang-Mills → bintang dengan flavour, colour. Untuk N-body (bintang), diasumsikan posisi bintang segaris, bagaimana jika posisinya tidak segaris?

7.1

Pemetaan

Fungsi y = f (x) adalah pemetaan:

x

∈ R1

y

∈ R1

y : R1 → R1 23

24

BAB 7. PERSAMAAN MEDAN EINSTEIN Misal:

f (x) = x2 U = U (x) U ∈ SU (2) x ∈ M4 w = f (z) = u(x, y) + iv(x, y) Tinjau pemetaan berikut: M4 |{z}

U (x) :

ruang basis

Beberapa pengertian:

→ SU (2) | {z }

ruang target

• Muatan topologi (winding number) = Volume ruang target / Volume ruang basis. • Solusi statik: ~r ) : r U (|{z} |{z}

target basis

U

∈ R3 ∈ SU (2)

U : R3 → SU (2) ≈ S 3 di r → ∞, U = I R3 |{z}

∼ =

ruang (3 dimensi)

U :S

3

S3 |{z}

bola (3 dimensi)

→ S 3.

• Muatan topologi = Volume (SU(2))/Volume (S 3 ) = Volume grup (S 3 )/Volume ruang (S 3 ) = n. • Winding number = Keliling lingkaran (target)/Keliling lingkaran (basis) = n(2πr)/(2πr) = n.

25

BAB 7. PERSAMAAN MEDAN EINSTEIN • Syarat muatan topologi R3 → S 3 : kompak.

• Muatan topologi = winding number = volume ruang target (kompak)/volume ruang basis (kompak). • Kompak: bola, elipsoid, lingkaran, sepenggal garis, selaput gendang. • Nonkompak: silinder, hiperboloida, hiperbola, garis lurus. • Vorteks:

1 λ

I

V~ . d~r = n

dimana n terkuantisasi. • Fluida berputar: U ′ = AU A+ Erotasi =

j(j + 1) . 2I

• Muatan, Q: I2 + σ3 2     1 0 1 0 1   + = 2 0 −1 0 1   1 2 0 = 2 0 0   1 0 . =  0 0

Q =

• Jika operator muatan diterapkan pada representasi proton dan neutron, diperoleh        p p 1 0 p   =   Q  =  0 n 0 0 n yakni, proton (p) bermuatan dan neutron (n) tak bermuatan.

Bibliografi [1] Wikipedia, Skyrmion, http://id.wikipedia.org/wiki/Skyrmion. [2] Miftachul Hadi, Hans J. Wospakrik, SU(2) Skyrme Model for Hadron, Physics Journal Indonesia Physics Society, 2004. [3] Miftachul Hadi, Model Skyrme SU(2) untuk Hadron, Tesis Master, Departemen Fisika, Universitas Indonesia, 2004. [4] Diskusi dan Catatan Kuliah dengan Hans J. Wospakrik.

26