与自旋3/2场相互作用的粒子探测器的响应

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在量子场理论中,粒子的概念在没有指明观测者运动状态时是没有意义的,或者说粒子的定义是观测者依赖的。加速的Unruh-DeWitt探测器在Minkowski时空中对真空标量场的响应很好地说明了粒子概念的这个特性。加速粒子探测器对其他真空场的响应也体现了特性:Boyer和两个物理学家Iyer及Kumar分别研究了加速粒子探测器与电磁真空涨落和Dirac场真空涨落耦合的情况,都发现了加速粒子探测器的响应不为零。  Audretsch和Müller利用DDC方法研究了与涨落的真空标量场耦合的匀加速原子的自发激发,他们的工作给予了Unruh效应一个清晰的物理机制。随后DDC表述还被用于研究与电磁场线性耦合和与Dirac场非线性耦合的均加速原子的自发激发。通过比较这些研究工作的结果,我们发现原子的激发率中都出现了与加速度有关的项,而这些项在这几种情况下不尽相同:与电磁场耦合的比与标量场耦合的匀加速原子的激发率中多一个与加速度二次方成正比的项,而与Dirac场耦合的比与电磁场耦合的匀加速原子的激发率中多一个与加速度四次方成正比的项。  本文用与无质量自旋3/2场非线性耦合的两能级原子做为粒子探测器,并计算了此探测器的能量变化率,即探测器的激发率。在其中DDC表述被推广于研究自旋Rarita-Schwinger场与原子的相互作用。本文考虑了原子与自旋3/2场耦合及原子与自旋3/2场的一阶导数耦合的所有可能,发现其中只有两种耦合方式不为零,即μR2(ψ)μψμ和μR2(a)α(ψ)μ(a)αψμ.在这两种耦合方式下,我们都发现匀加速原子都能够自发激发,即粒子探测器的响应都非零。此外我们不仅在原子的平均能量变化率中发现了除了单纯的真空涨落的贡献和单纯的辐射反作用的贡献以外还有一个真空涨落和辐射反作用的交叉项的贡献,并且单纯的辐射反作用的贡献因和其他两项相比为小量而可以忽略。当粒子探测器的加速度趋近零的时候,由于真空涨落和交叉项对基态原子平均能量变化的作用互相抵消,使得其基态原子保持稳定。在第一种耦合下,我们发现原子的平均能量变化率是原子与Dirac场耦合时的两倍。在第二种耦合下,我们发现了原子的平均能量变化率比与Dirac场耦合时还多出了两个分别与a6和a8成正比的项,这些项是当粒子探测器与真空标量场、Dirac场、电磁场涨落耦合时从未出现过的。
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