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文章笔记

Srednicki §10 散射振幅与费曼规则

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系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇

对生成泛函 Z[J]=eiW[J]Z[J]=e^{iW[J]}求源导数,得到相互作用场的关联函数;再用LSZ公式约去外部传播线,就得到散射振幅。以两个粒子入射、两个粒子出射的最低阶过程为例,源微分产生三个树图,顶点积分确定内线动量,动量空间的费曼规则也随之得到。

精确传播子与连通关联函数

先考虑两个场的时间序乘积。相互作用会修正其真空期望值,为此用粗体定义精确传播子:

G2(x1,x2)≡⟨0∣Tφ(x1)φ(x2)∣0⟩=1iΔ(x1−x2).(10.1)G_2(x_1,x_2)\equiv \langle0|\mathrm T\varphi(x_1)\varphi(x_2)|0\rangle =\frac1i\boldsymbol\Delta(x_1-x_2). \tag{10.1}

普通 Δ\Delta 仍表示上一节图中的自由核。要计算精确核,只须对完整生成泛函求两次源导数;简写为

δj=1iδδJ(xj),F[J]=iW[J],Z[J]=eF[J].(10.2)\delta_j=\frac1i\frac{\delta}{\delta J(x_j)},\qquad \mathcal F[J]=iW[J],\qquad Z[J]=e^{\mathcal F[J]}. \tag{10.2}

这里 δj\delta_j 就是此前的 Dxj\mathscr D_{x_j}。求导时先保留外源。第一次用指数函数的求导法则,第二次再对所得两因子的乘积求导:

δ2Z=(δ2F)Z,δ1δ2Z=[δ1δ2F+(δ1F)(δ2F)]Z.(10.3)\begin{aligned} \delta_2Z&=(\delta_2\mathcal F)Z,\\ \delta_1\delta_2Z &=\big[\delta_1\delta_2\mathcal F +(\delta_1\mathcal F)(\delta_2\mathcal F)\big]Z. \end{aligned} \tag{10.3}

然后令外源为零。此时 Z=1Z=1,而上一节选定的零平均值条件给出 δjF∣0=⟨φ(xj)⟩=0\delta_j\mathcal F|_0=\langle\varphi(x_j)\rangle=0,乘积项便消失,只留下

G2(x1,x2)=δ1δ2(iW)∣J=0.(10.4)G_2(x_1,x_2) =\left.\delta_1\delta_2(iW)\right|_{J=0}. \tag{10.4}

这个微分过程在图上十分直接:一次 δj\delta_j 移去一个源,把相连线端固定在 xjx_j。最低阶两点图只有一条自由线,两个导数分配到两端有两种方式,恰好抵消源图的 S=2S=2。于是 Δ=Δ+O(g2)\boldsymbol\Delta=\Delta+O(g^2);两点圈图与反项给出其二阶修正,第14节将计算这些贡献。

四点函数则还含有分成两个两点函数的项。为把这种结构数清楚,可以继续使用同一乘积法则:每一项将外点标签分成若干块,同一块的导数全作用在同一份 F\mathcal F 上。设 nn 次导数已经按这些集合分拆列出,再作用第 n+1n+1 个导数。如果它打在 eFe^{\mathcal F} 上,就产生一个单独的新块;如果打在已有某块上,就把新标签并入该块。任何新分拆都恰好属于其中一种情形,因此

δ1⋯δnZ=Z∑π∏B∈π(∏j∈Bδj)F,(10.5)\delta_1\cdots\delta_n Z =Z\sum_{\pi} \prod_{B\in\pi}\left(\prod_{j\in B}\delta_j\right)\mathcal F, \tag{10.5}

其中 π\pi 遍历 {1,…,n}\{1,\ldots,n\} 的不重复集合分拆,每种分拆的系数都是1。再使用一点函数为零的条件,所有含单元素块的项都消失;四点函数剩下一整块及三种两两分拆,即

G4(1,2,3,4)=G4,C(1,2,3,4)+G2(1,2)G2(3,4)+G2(1,3)G2(2,4)+G2(1,4)G2(2,3),(10.6)\begin{aligned} G_4(1,2,3,4) ={}&G_{4,C}(1,2,3,4) +G_2(1,2)G_2(3,4)\\ &+G_2(1,3)G_2(2,4) +G_2(1,4)G_2(2,3), \end{aligned} \tag{10.6}

第一项把全部四个点接在同一连通部分中,后三项则分别是两个精确二点函数的乘积。将所有外点导数作用在同一份连通泛函上的结果,定义为

GE,C(x1,…,xE)=δ1⋯δE(iW)∣J=0.(10.7)G_{E,C}(x_1,\ldots,x_E) =\left.\delta_1\cdots\delta_E(iW)\right|_{J=0}. \tag{10.7}

下标 CC 表示连通(connected)。上一节的 iWiW 是连通图之和,求导把其中的源叶换成固定外点,所以它生成的正是这里的连通关联函数。相互作用下,三点函数一般也不为零:第8节奇数点的消失来自自由高斯的两两配对,立方相互作用则允许奇数个外点接成连通图。

非连通项与未散射的粒子

现在把这些关联函数用于散射。令入射动量为 k1,k2k_1,k_2,出射动量为 k1′,k2′k_1',k_2',都取正能质量壳。第5节的LSZ公式给每条外腿一个约化因子 +iDx+iD_x,其中 Dx=−∂x2+m2D_x=-\partial_x^2+m^2。若先取四腿连通部分,约化式为

Sficonn=i4∫d4x1 d4x2 d4x1′ d4x2′ ei(k1x1+k2x2−k1′x1′−k2′x2′)×D1D2D1′D2′ G4,C(x1,x2,x1′,x2′).(10.8)\begin{aligned} S_{fi}^{\rm conn} ={}&i^4\int d^4x_1\,d^4x_2\,d^4x_1'\,d^4x_2'\, e^{i(k_1x_1+k_2x_2-k_1'x_1'-k_2'x_2')}\\ &\hspace{2em}\times D_1D_2D_{1'}D_{2'}\, G_{4,C}(x_1,x_2,x_1',x_2'). \end{aligned} \tag{10.8}

这里继续使用第5节建立的波包、渐近态和单位单粒子重叠条件。选择连通部分的物理意义,可以从其余三种分拆看出。

例如取 G2(x1,x1′)G2(x2,x2′)G_2(x_1,x_1')G_2(x_2,x_2'),两组坐标各在自己的因子中,约化积分也随之分开。先将能量与三动量都保留为独立的傅里叶变量,用平移不变核 F(x−x′)F(x-x') 表示每组坐标的依赖。把其中一组换成相对坐标与中心坐标,令

r=x−x′,R=x+x′2,x=R+r2,x′=R−r2.(10.9)r=x-x',\qquad R=\frac{x+x'}2,\qquad x=R+\frac r2,\quad x'=R-\frac r2. \tag{10.9}

每个四矢量分量的变换矩阵为 (11/21−1/2)\left(\begin{smallmatrix}1&1/2\\1&-1/2\end{smallmatrix}\right),行列式为 −1-1。四组分量合起来的绝对Jacobian仍为1,因此 d4x d4x′=d4R d4rd^4x\,d^4x'=d^4R\,d^4r。相位随之变为 (k−k′)R+kˉr(k-k')R+\bar kr,其中 kˉ=(k+k′)/2\bar k=(k+k')/2,于是

∫d4x d4x′ ei(kx−k′x′)F(x−x′)=∫d4R ei(k−k′)R∫d4r eikˉrF(r)=(2π)4δ4(k−k′) F~(−kˉ).(10.10)\begin{aligned} \int d^4x\,d^4x'\,e^{i(kx-k'x')}F(x-x') &=\int d^4R\,e^{i(k-k')R} \int d^4r\,e^{i\bar kr}F(r)\\ &=(2\pi)^4\delta^4(k-k')\,\widetilde F(-\bar k). \end{aligned} \tag{10.10}

按式(8.10)的傅里叶约定,右边出现 −kˉ-\bar k。实标量时间序二点核满足 F(r)=F(−r)F(r)=F(-r),再令 r→−rr\to-r,也可将它写成 F~(kˉ)\widetilde F(\bar k)。

对两组坐标分别作这一步,便得到

(2π)4δ4(k1−k1′)(2π)4δ4(k2−k2′) F~(kˉ11′)F~(kˉ22′).(10.11)(2\pi)^4\delta^4(k_1-k_1') (2\pi)^4\delta^4(k_2-k_2') \,\widetilde F(\bar k_{11'})\widetilde F(\bar k_{22'}). \tag{10.11}

两份delta各自要求一对入、出动量相等,说明两个粒子保持了原来的动量,这一分拆因而属于未散射部分。另一种入出配对只把两个相同的出射粒子交换。若改为将两个入射腿相配,就出现 δ4(k1+k2)\delta^4(k_1+k_2);正能质量壳上 k10+k20≥2m>0k_1^0+k_2^0\ge2m>0,所以该项没有支撑。

前面的傅里叶计算显示了各对动量相等的支撑。未散射内积的系数由第5节的波包约化确定:先依次取渐近极限,再提取在壳动量核,得到

Na′b=(2π)3 2ωkb δ3(ka′−kb),Sfi=N1′1N2′2+N1′2N2′1+Sficonn.(10.12)\begin{aligned} N_{a'b}&=(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf k_b}\, \delta^3(\mathbf k_a'-\mathbf k_b), \\ S_{fi}&=N_{1'1}N_{2'2}+N_{1'2}N_{2'1}+S_{fi}^{\rm conn}. \end{aligned} \tag{10.12}

对本节相同稳定粒子的 2→22\to2 过程,两个未散射内积以外的部分就是 SficonnS_{fi}^{\rm conn}。外粒子数更多时,还可能有其他分拆,例如 3→33\to3 中一粒子旁观,另外两粒子散射。这些过程也属于完整 SS;连通振幅对应的是将全部指定外腿连在一起的过程。以下便计算这样的四腿振幅。

四个源怎样给出三个树图

最低阶连通四点来自上一节的四源树图:两个三价点由一条内线相连,另有四条线各接一个源。对它求四次源导数,共有 4!=244!=24 种外点标记方式。按两个顶点各接哪一对外点来分,只有三种不重复的无序分组:

{1,2}∣{1′,2′},{1,1′}∣{2,2′},{1,2′}∣{2,1′}.(10.13)\{1,2\}\mid\{1',2'\},\qquad \{1,1'\}\mid\{2,2'\},\qquad \{1,2'\}\mid\{2,1'\}. \tag{10.13}

在每种分组内,交换两个内部顶点,以及分别交换每端的两个外点,共有 2⋅2!⋅2!=82\cdot2!\cdot2!=8 种分配给出同一积分。这八种分配抵消原来带源图的 S=8S=8,所以每个固定外腿图的系数为1。

对于一般三价树图,这个结论也可从连接关系看出。任取一个内部顶点,从它伸出的三个分支各选一个外叶,这个顶点就是三叶之间路径的共同交点。保持每个外叶不动的图置换,也必须保持这些路径及其交点不动,因而全部内部顶点都被固定。树中又没有自环或平行线构成的圈,也就不再有线的交换,所以 S=1S=1。

下图将三种连接画在一起,并标出随后傅里叶变换所用的动量。端点 1,2,1′,2′1,2,1',2' 是外部场位置,内部顶点记为 y,zy,z;箭头表示动量方向,入射流入顶点,出射流出顶点。

s 道树图,内线传递两个入射粒子的总动量
s 道:两个入射粒子接在同一顶点。
t 道树图,内线动量为第一对入出动量之差
t 道:1 与 1′ 接在同一顶点。
u 道树图,交换两个出射粒子后的连接
u 道:1 与 2′ 接在同一顶点。

三条内线的动量分别为 qs=k1+k2q_s=k_1+k_2、qt=k1−k1′q_t=k_1-k_1'、qu=k1−k2′q_u=k_1-k_2'。图中的连接关系决定散射道;移动外点的位置或弯曲线条不改变图的贡献。

把每条线换成上一节的坐标空间核 C=Δ/iC=\Delta/i,对两个内部顶点积分,三个分组的贡献便为

G4,C(1,2,1′,2′)=(ig)2∫d4y d4z C(y−z)×[C(x1−y)C(x2−y)C(x1′−z)C(x2′−z)+C(x1−y)C(x1′−y)C(x2−z)C(x2′−z)+C(x1−y)C(x2′−y)C(x2−z)C(x1′−z)]+O(g4).(10.14)\begin{aligned} G_{4,C}(1,2,1',2') ={}&(ig)^2\int d^4y\,d^4z\,C(y-z)\\ &\times\big[ C(x_1-y)C(x_2-y)C(x_1'-z)C(x_2'-z)\\ &\quad+C(x_1-y)C(x_1'-y)C(x_2-z)C(x_2'-z)\\ &\quad+C(x_1-y)C(x_2'-y)C(x_2-z)C(x_1'-z) \big]+O(g^4). \end{aligned} \tag{10.14}

每项共有五条传播线,改写为 Δ\Delta 时就带有 (1/i)5(1/i)^5。由于 Zg−1=O(g2)Z_g-1=O(g^2),当前两个顶点各取 igig 即可;顶点修正、圈图与二次反项都从四阶进入。

逐条截去外部传播线

关联函数已经写出,接着将式(10.14)代入式(10.8)。每个外坐标只出现在一条传播线中,约化算符便只作用于这条线。利用传播核的Green方程,有

+iDx C(x−y)=+iDx Δ(x−y)i=δ4(x−y).(10.15)+iD_x\,C(x-y) =+iD_x\,\frac{\Delta(x-y)}i =\delta^4(x-y). \tag{10.15}

这里使用带Feynman边界条件的 DΔ=δ4D\Delta=\delta^4。

外坐标积分现在由delta完成。以第一项为例,四次积分依次给出 eik1ye^{ik_1y}、eik2ye^{ik_2y}、e−ik1′ze^{-ik_1'z}、e−ik2′ze^{-ik_2'z},留下两个顶点和相连的一条内部传播线。把LSZ、顶点与五条原传播线的相位合在一起,有

i4(ig)2(1i)5=(ig)21i=ig2.(10.16)i^4(ig)^2\left(\frac1i\right)^5 =(ig)^2\frac1i=ig^2. \tag{10.16}

其余两种分组的外坐标积分同样完成,只在两顶点所带的外动量组合上不同。把三项列在一起,得到

Sficonn=ig2∫d4y d4z Δ(y−z)×[ei[(k1+k2)y−(k1′+k2′)z]+ei[(k1−k1′)y+(k2−k2′)z]+ei[(k1−k2′)y+(k2−k1′)z]]+O(g4).(10.17)\begin{aligned} S_{fi}^{\rm conn} ={}&ig^2\int d^4y\,d^4z\,\Delta(y-z)\\ &\times\big[ e^{i[(k_1+k_2)y-(k_1'+k_2')z]}\\ &\quad+e^{i[(k_1-k_1')y+(k_2-k_2')z]}\\ &\quad+e^{i[(k_1-k_2')y+(k_2-k_1')z]} \big]+O(g^4). \end{aligned} \tag{10.17}

外线的因子成为1,正是 +iD+iD 与 Δ/i\Delta/i 相消的结果。第5节的约化已经采用相对论态的 (2π)32ω(2\pi)^3 2\omega 归一化,因此这里不再出现另一套 1/2ω1/\sqrt{2\omega} 因子。经过约化,计算只涉及内部传播和顶点之间的动量传递。

作完顶点积分并定义振幅

三个积分只有相位中的动量组合不同,可以统一计算。把两顶点上的有号外动量和记为 a,ba,b:第一道为 a=k1+k2a=k_1+k_2、b=−k1′−k2′b=-k_1'-k_2',第二道为 a=k1−k1′a=k_1-k_1'、b=k2−k2′b=k_2-k_2',第三道为 a=k1−k2′a=k_1-k_2'、b=k2−k1′b=k_2-k_1'。于是只须求

I(a,b)=∫d4y d4z eiay+ibzΔ(y−z)=∫d4k(2π)41k2+m2−i0[∫d4y ei(a+k)y][∫d4z ei(b−k)z]=∫d4k(2π)4(2π)4δ4(a+k)(2π)4δ4(b−k)k2+m2−i0=(2π)4δ4(a+b) 1a2+m2−i0.(10.18)\begin{aligned} I(a,b) &=\int d^4y\,d^4z\,e^{iay+ibz}\Delta(y-z)\\ &=\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4} \frac1{k^2+m^2-i0} \left[\int d^4y\,e^{i(a+k)y}\right] \left[\int d^4z\,e^{i(b-k)z}\right]\\ &=\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4} \frac{(2\pi)^4\delta^4(a+k)(2\pi)^4\delta^4(b-k)} {k^2+m^2-i0}\\ &=(2\pi)^4\delta^4(a+b)\, \frac1{a^2+m^2-i0}. \end{aligned} \tag{10.18}

第二行代入内部传播子的傅里叶表示以后,顶点坐标只出现在相位中,各自产生一份动量delta。第一份令 k=−ak=-a,并用它的 (2π)4(2\pi)^4 消去动量积分测度中的分母;第二份留下总体守恒delta和一份 (2π)4(2\pi)^4。传播核的分母依赖 k2k^2,所以也可按图中箭头的方向,将内线动量记为 q=a=−kq=a=-k,这个反向变量变换的绝对Jacobian为1。

三道的 a+b=k1+k2−k1′−k2′a+b=k_1+k_2-k_1'-k_2' 相同,故都带同一总体守恒因子:

Sficonn=(2π)4δ4(k1+k2−k1′−k2′) ig2×[1qs2+m2−i0+1qt2+m2−i0+1qu2+m2−i0]+O(g4).(10.19)\begin{aligned} S_{fi}^{\rm conn} ={}&(2\pi)^4\delta^4(k_1+k_2-k_1'-k_2')\,ig^2\\ &\times\left[ \frac1{q_s^2+m^2-i0} +\frac1{q_t^2+m^2-i0} +\frac1{q_u^2+m^2-i0} \right]+O(g^4). \end{aligned} \tag{10.19}

总体delta是平移不变性所要求的动量守恒,过程的其余信息都在它的系数中。将这个因子和一个 ii 提出,定义散射振幅(scattering amplitude)T\mathcal T:

Sficonn=(2π)4δ4(kin−kout) iT,Ttree=g2∑r=s,t,u1qr2+m2−i0.(10.20)\begin{aligned} S_{fi}^{\rm conn} &=(2\pi)^4\delta^4(k_{\rm in}-k_{\rm out})\,i\mathcal T,\\ \mathcal T_{\rm tree} &=g^2\sum_{r=s,t,u}\frac1{q_r^2+m^2-i0}. \end{aligned} \tag{10.20}

其中 kink_{\rm in}、koutk_{\rm out} 分别是全部入射和出射粒子的总四动量;时间排序仍用 T\mathrm T 表示。振幅 T\mathcal T 的整体号承接本节的传播子及相互作用约定,由式(10.16)中的相位乘积确定。

为了看出三道与散射运动学的关系,引入Mandelstam变量(Mandelstam variables)s=−qs2s=-q_s^2、t=−qt2t=-q_t^2、u=−qu2u=-q_u^2。在 (−+++)(-+++) 度规下,振幅因而可写为

Ttree=−g2[1s−m2+i0+1t−m2+i0+1u−m2+i0].(10.21)\mathcal T_{\rm tree} =-g^2\left[ \frac1{s-m^2+i0} +\frac1{t-m^2+i0} +\frac1{u-m^2+i0} \right]. \tag{10.21}

整体负号来自每个传播子分母中提出的一份负号,相互作用的约定保持不变。以质心系为例,入射三动量取为 ±p\pm\mathbf p,出射三动量取为 ±p′\pm\mathbf p',其中 ∣p′∣=∣p∣=p|\mathbf p'|=|\mathbf p|=p。四个粒子的能量均为 E=m2+p2E=\sqrt{m^2+p^2},散射角由 p⋅p′=p2cos⁡θ\mathbf p\cdot\mathbf p'=p^2\cos\theta 确定。把这些动量代入三个四矢量平方,得到

s=4(m2+p2),t=−2p2(1−cos⁡θ),u=−2p2(1+cos⁡θ),s+t+u=4m2.(10.22)\begin{aligned} s&=4(m^2+p^2),& t&=-2p^2(1-\cos\theta),\\ u&=-2p^2(1+\cos\theta),& s+t+u&=4m^2. \end{aligned} \tag{10.22}

交换两个出射粒子,将 θ→π−θ\theta\to\pi-\theta,也就是 t↔ut\leftrightarrow u,而三道之和保持不变,符合相同粒子的交换对称性。对 m>0m>0 的物理弹性区,s≥4m2s\ge4m^2、t,u≤0t,u\le0,三个内部单粒子极点都在该区域之外。再取阈值极限 p→0p\to0,振幅为 Ttree=5g2/(3m2)\mathcal T_{\rm tree}=5g^2/(3m^2):其中 ss 道给出 −g2/(3m2)-g^2/(3m^2),另外两道各给 g2/m2g^2/m^2。这个简单极限同时保留了三种交换途径的相对号及总的质量量纲。

从顶点守恒得到圈积分测度

前面的两个顶点各产生一份四维delta,一份消去内线动量,另一份表示整个过程的四动量守恒。推广到一般连通图时,也可以先按这个办法处理所有顶点。考虑至少含一个相互作用顶点的图,设其内部线数为 II,内部顶点数为 VV。给每条内线任选方向并赋予四动量 qeq_e,则每个顶点的坐标积分给出

∫d4xv exp⁡ ⁣[ixv(pv+∑eBveqe)]=(2π)4δ4 ⁣(pv+∑eBveqe).(10.23)\int d^4x_v\, \exp\!\left[i x_v\left(p_v+\sum_e \mathsf B_{ve}q_e\right)\right] =(2\pi)^4\delta^4\!\left(p_v+\sum_e\mathsf B_{ve}q_e\right). \tag{10.23}

这里 pvp_v 是进入该顶点的有号外动量之和,出射动量取负号。连接矩阵 B\mathsf B 在内线起点取 −1-1,在终点取 +1+1,其余为零;若选用相反的傅里叶动量方向,同时令 qe→−qeq_e\to-q_e,所得关系不变。把全部顶点的约束相加,一条内线总是出现两次且符号相反,内部动量于是全部抵消,留下 ∑vpv=kin−kout=0\sum_vp_v=k_{\rm in}-k_{\rm out}=0 这一总体约束。

其余 V−1V-1 个约束的独立性,可以用生成树直接说明。在连通图中选一棵连接全部顶点的树,它含有 V−1V-1 条线。先将其余内线动量作为自由变量,再从树的一片叶子开始消元:该叶子只有一条尚未确定的树线,顶点守恒以系数 +1+1 或 −1-1 唯一解出它的四动量。删去这个叶子,便可对新的叶子重复同一步骤,直到只剩根点。这样恰好确定全部 V−1V-1 条树线,根点方程则是总体守恒;各次消元的绝对Jacobian均为1,所以不再产生额外的行列式。

每条非树内线与树上连接其两端的唯一路径组成一个独立圈。把这些非树线的动量作为圈动量,尚未被守恒确定的四动量数便为

L=I−V+1.(10.24)L=I-V+1. \tag{10.24}

这里 LL 指独立圈数。复杂图中可能画出更多闭合路径,但其他路径可由这些独立圈组合得到,不会增加独立积分变量。树图的 L=0L=0,因此所有内线动量都已由外动量确定。

积分测度也随消元一同确定。每条内线最初的傅里叶变换带有 d4qe/(2π)4d^4q_e/(2\pi)^4,每个顶点则带 (2π)4δ4(2\pi)^4\delta^4。用 V−1V-1 份delta依次积掉树线动量,每次恰好消去一组 (2π)4(2\pi)^4,最终剩下

(2π)4δ4(kin−kout)∏α=1L∫d4ℓα(2π)4.(10.25)(2\pi)^4\delta^4(k_{\rm in}-k_{\rm out}) \prod_{\alpha=1}^{L}\int\frac{d^4\ell_\alpha}{(2\pi)^4}. \tag{10.25}

圈积分测度和树图内线动量的唯一确定,都由这一顶点消元过程得到。实标量传播子的分母是动量的偶函数,反转任一内线箭头并同时换变量也不会改变图值;有调节器时,调节因子须随变量一起变换。

动量空间的费曼规则

现在可以将这些计算整理成动量空间费曼规则。先为给定的外粒子标签列出所有拓扑不等价的连通图,每条外线接到相互作用顶点上;在本节模型中,普通顶点都是三价的。再标上外线的物理入、出动量,为内线选定方向,并按刚才的方法施加顶点守恒。完成这些步骤以后,线和顶点各提供一个局部因子:

已约化外线:1,内线 q:−iq2+m2−i0,三价顶点:iZgg,二价反项:−i(Aq2+Bm2).(10.26)\begin{aligned} \text{已约化外线}:&\quad 1,\\ \text{内线 }q:&\quad \frac{-i}{q^2+m^2-i0},\\ \text{三价顶点}:&\quad iZ_g g,\\ \text{二价反项}:&\quad -i(Aq^2+Bm^2). \end{aligned} \tag{10.26}

外线因子1来自式(10.15)的约化,内部传播因子和三价顶点则分别来自 Δ/i\Delta/i 的傅里叶变换与坐标空间顶点。二价反项已在式(9.45)中求出,其两侧只有同一四动量流过。由于 A,B=O(g2)A,B=O(g^2),插入这些反项时,也必须把它们自身的阶数计入所要计算的总阶数。

将内部动量约束解出,再乘上各线及顶点的因子,每幅图对振幅的贡献为

(iT)G=1SGfixed[∏α=1L∫d4ℓα(2π)4]∏e=1I−iqe2+m2−i0×∏v cubiciZgg∏w ct[−i(Aqw2+Bm2)].(10.27)\begin{aligned} (i\mathcal T)_G ={}&\frac1{S_G^{\rm fixed}} \left[\prod_{\alpha=1}^{L} \int\frac{d^4\ell_\alpha}{(2\pi)^4}\right] \prod_{e=1}^{I}\frac{-i}{q_e^2+m^2-i0}\\ &\times \prod_{v\ {\rm cubic}}iZ_g g \prod_{w\ {\rm ct}}[-i(Aq_w^2+Bm^2)]. \end{aligned} \tag{10.27}

总体守恒delta已经依照振幅的定义提出。各条内线的 qeq_e 由外动量和独立圈动量 ℓα\ell_\alpha 线性组成,因此只须对剩余圈动量积分。将给定阶数的全部图相加,得到该阶的 iTi\mathcal T,再除以整体的 ii,便是 T\mathcal T。

系数 SGfixedS_G^{\rm fixed} 要在保持全部外标签不动的条件下计算,允许的交换只涉及相同内部顶点、内部线及自环端点。上一节积分源叶的交换因子已经由源导数处理;这里的树图有 SGfixed=1S_G^{\rm fixed}=1,圈图则还可能保留内部对称性。例如固定双线泡的两端后,两条内部线仍可互换,故 Sfixed=2S^{\rm fixed}=2,而相应积分源图的因子为 S=4S=4。将这个泡插入一幅已区别左右两端的图中,仍应保留它的 1/21/2。

还需要按目标阶数决定画哪些图。对于纯三价连通图,场槽的计数给 3V=2I+E3V=2I+E,独立圈数为 L=I−V+1L=I-V+1,消去内部线数就有

V=E+2L−2.(10.28)V=E+2L-2. \tag{10.28}

固定外腿数 EE 后,每添一个圈都要增加两个三价顶点。因此,有树图的过程从 gE−2g^{E-2} 阶开始,下一圈通常进入 gEg^E 阶;本节 2→22\to2 过程的树阶为 g2g^2,一圈及相应反项为 g4g^4。这一计数确定给定阶数需要纳入的图。

图规则还应保持振幅的质量量纲。若有 V3V_3 个三价顶点和 V2V_2 个二价反项,计数关系变为 3V3+2V2=2I+E3V_3+2V_2=2I+E,圈数为 L=I−V3−V2+1L=I-V_3-V_2+1。四维中一个圈测度的维数为4,内部传播子的维数为 −2-2,三价顶点为1,二价顶点为2,所以

[T]=4L−2I+V3+2V2=4−E.(10.29)[\mathcal T] =4L-2I+V_3+2V_2 =4-E. \tag{10.29}

四腿振幅因而无量纲,树级结果中的 g2/(q2+m2)g^2/(q^2+m^2) 正具有这一性质。

外线因子1对应物理质量和单位单粒子重叠。圈阶计算将自能与反项组合,使精确传播子在物理质量处具有单位留数,然后取LSZ极限。自能及其归一化将在第14节具体计算。

振幅由各道的相干叠加给出。下一节将把它换成可测量的截面和衰变率。


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文章标题:Srednicki §10 散射振幅与费曼规则

文章作者:Whitney

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