Prueba experimental en QFT de menor dimensión...

En principio, es posible formular una teoría cuántica en un número arbitrario de dimensiones del espacio-tiempo. Esto es útil porque nos permite abstraer las características generales de la teoría de aquellas que son específicas d = 4 . También es útil porque los sistemas de dimensiones más bajas suelen ser más fáciles de manejar y proporcionan modelos de juguete agradables y manejables.

Pero la realidad es tetradimensional, por lo que no es trivial probar las predicciones de modelos dimensionales más bajos (o más altos). En el régimen no relativista, podemos usar semiconductores para localizar la dinámica en un plano, una línea o incluso un punto, para estudiar mecánica cuántica bidimensional, unidimensional y de dimensión cero. Los experimentos coinciden muy bien con las predicciones teóricas, como era de esperar.

En el régimen relativista, sin embargo, no sé cómo probar las predicciones de la teoría en dimensiones inferiores. Digamos que estudiamos la dispersión de Compton en d = 2 + 1 dimensiones, o el momento magnético anómalo del electrón en d = 1 + 1 . ¿Es posible establecer experimentos de menor dimensión para probar estas predicciones? ¿O son las simulaciones numéricas la única forma de proceder?


Nota: La pregunta es cómo probar las predicciones relativistas , por lo que los experimentos deben ser sensibles a las correcciones relativistas, y de tal manera que el paradigma tiene que ser la teoría cuántica de campos . Tratamientos semiclásicos/efectivos, como incluir un término de estructura fina PAG ^ 4 / 8 metro 3 C 2 en el átomo de hidrógeno en la ecuación de Schrödinger, no son lo que busco aquí. Además, me preocupa la mecánica cuántica relativista "fundamental", en contraposición a una simetría de Lorentz emergente en, por ejemplo, el grafeno.

¿Qué hay de sistemas como átomos pesados ​​o núcleos que muestran simetría esférica pero que también muestran efectos relativistas que requieren el uso de la ecuación radial de Dirac para el estudio teórico?
en su opinión, ¿cuál es la dimensionalidad de una configuración experimental donde colisionan partículas colineales de alta energía (relativistas)?
@AlQuemist buena pregunta. Diría que una colisión uno a uno idealizada podría considerarse de menor dimensión; pero en la práctica chocamos montones de partículas, por lo que el experimento real realmente es 3 + 1 dimensional.
Creo que con las estrictas disposiciones que establece OP (por ejemplo, no se aceptan teorías de campo efectivas de baja atenuación), no se pueden lograr mejores experimentos que los haces de alta energía (aproximadamente) colimados que se dispersan entre sí. Recuerde que a escalas de energías tan altas, confinar partículas a dimensiones más bajas es extremadamente difícil o prácticamente imposible.
Se aceptan las teorías de campo efectivas de @AlQuemist . Lo que no se acepta es la mecánica efectiva de partículas puntuales, como la ecuación de Schrödinger o la ecuación de Dirac. Quiero una respuesta QFT, no una QM. ¡Salud!
Por lo tanto, uno solo puede esperar que en condiciones exóticas, por ejemplo, en un agujero negro de mecánica cuántica completamente relativista, pueda satisfacer las estrictas disposiciones que requiere OP. Esto implica que uno debe mirar la física en la escala de Planck o superior.
Entonces, los sistemas efectivos de baja dimensión como los puntos cuánticos o los electrones 2D deberían aceptarse como respuesta, ya que de hecho son teorías de campo (fenómenos de muchos cuerpos). En algunos regímenes, tales sistemas de baja D se comportan “cuasi-relativistamente” (es decir, exhiben aproximadamente algunas simetrías/dispersiones relativistas) pero con una velocidad característica más baja que la de la luz.
Yo diría que las teorías de campo de menor dimensión suelen ser más difíciles de manejar, porque hay más interacciones renormalizables de las que hay que hacer un seguimiento, y algunas de ellas son superrenormalizables, lo que plantea sus propias dificultades. (Con la excepción de las teorías conformes, que son más manejables en 2D porque podemos usar el álgebra de Virasoro). Por ejemplo, φ 4 la teoría es notoriamente intratable en 2D lejos de los puntos conformes.
@tparker Eso es una cuestión de opinión (o, más precisamente, una cuestión de qué problema específico está tratando de abordar). Pregúntele a un físico matemático qué piensa acerca de los sistemas de dimensiones inferiores. Te dirán que es mucho más fácil trabajar con ellos; que en 4d no tienen idea de cómo definir un QFT, pero que en 1d, 2d y 3d sí.

Respuestas (1)

Simulaciones cuánticas con átomos ultrafríos

Tal vez no sea una prueba experimental directa, pero hay algunas ideas para usar simulaciones cuánticas no solo para probar la física de muchos cuerpos (ver, por ejemplo, revisión de Gross & Bloch 2017 ), sino también para simular teorías de calibre (ver, por ejemplo , Zohar, Cirac, Reznik 2015 , o esta tesis de maestría del alumno de Cirac ).

La idea detrás de esto es atrapar átomos ultrafríos en una red y diseñar interacciones entre ellos que efectivamente le den una teoría de calibre. Es posible que esto no incluya todas las características de una QFT completamente relativista, pero puede permitir estudiar algunas de sus propiedades (por ejemplo, la producción de pares en QED, Kasper 2016 ).

El hamiltoniano de interacción efectiva se puede diseñar eligiendo una variedad de parámetros:

  • potencial de atrapamiento de la red óptica
  • que atomos usar
  • campo magnético (sintoniza las interacciones directas a través de una resonancia de Feshbach)

En este caso, es más fácil tener sistemas de baja dimensión .

Solo para mostrar que estas no son solo ideas teóricas, sino que ya se han implementado algunos ejemplos:

Descargo de responsabilidad: no soy un experto en el tema, los documentos anteriores son solo ejemplos y de ninguna manera una representación adecuada de la literatura.