系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
上一节已将散射振幅写成时间序关联函数,接下来要建立计算这些关联函数的方法。仍从自由场开始:先求二点函数,再利用模式代数把多点函数展开成二点函数的乘积。与第8节的标量场一样,二点函数将成为微扰计算的基本构件;旋量的指标结构和费米交换号则由下面的模式收缩逐步确定。
两种真空矩阵元
沿用第39节的场归一化,先取m>0。记p0=ωp=p2+m2>0,并用dμp=d3p/[(2π)32ωp]表示不变测度。要计算一个场与伴随场的乘积,分别将场与伴随场的模式展开写在两个时空点:
Ψ(x)Ψˉ(y)=s∑∫dμp[bs(p)us(p)eipx+ds†(p)vs(p)e−ipx],=r∑∫dμq[br†(q)uˉr(q)e−iqy+dr(q)vˉr(q)eiqy].(42.1)
平面波中的相位仍为px=−ωpx0+p⋅x。旋量u,v是可交换的数值列,场的反对易性质来自模式算符b,d。自由真空及模式的归一化满足
bs(p)∣0⟩{bs(p),br†(q)}=ds(p)∣0⟩=0,={ds(p),dr†(q)}=(2π)32ωpδ3(p−q)δsr.(42.2)
其余模式反对易子均为零,真空归一为⟨0∣0⟩=1。将这些关系用于场的乘积,便可逐项判断哪些模式能留下非零真空期望。
我们将费曼传播子定义为时间序二点函数的i倍。以z=x−y、t=x0−y0简记坐标差和时间差,这一定义为
Sαβ(z)GF,αβ(z)=iGF,αβ(z),=⟨0∣TΨα(x)Ψˉβ(y)∣0⟩=θ(t)⟨0∣Ψα(x)Ψˉβ(y)∣0⟩−θ(−t)⟨0∣Ψˉβ(y)Ψα(x)∣0⟩.(42.3)
这里α始终是未取伴随场的指标,β是伴随场的指标;即使第二项中的算符顺序反转,矩阵仍按α,β排列。该项的负号属于费米时间序的定义:交换两个奇场时,计入这次置换的符号。本节带坐标差的S(z)表示传播子;上一节不带时空自变量的散射算符仍按散射问题中的含义使用。
先分别计算定义中的两个真空矩阵元。正序乘积展开后有四类模式组合,只有bb†的真空期望非零;d†d右侧的湮灭算符作用于真空为零,其余两类则含两个产生算符或两个湮灭算符。因而
Gαβ+(z)≡⟨0∣Ψα(x)Ψˉβ(y)∣0⟩=s,r∑∫dμpdμqusα(p)uˉrβ(q)eipx−iqy⟨0∣bs(p)br†(q)∣0⟩=s∑∫dμpeipzusα(p)uˉsβ(p)=∫dμpeipz(−p+m)αβ.(42.4)
具体地,代入bb†={b,b†}−b†b后,后一项湮灭真空,前一项中的(2π)32ωp消去dμq的分母,动量和自旋δ函数分别令q=p、r=s,两条积分遂合为一条。最后再用第38节自旋求和∑susuˉs=−p+m,便得到最后一行的矩阵分子。
反序矩阵元用相同方法计算,不过此时留下的是dd†:
Gαβ−(z)≡⟨0∣Ψˉβ(y)Ψα(x)∣0⟩=r,s∑∫dμqdμpvˉrβ(q)vsα(p)eiqy−ipx⟨0∣dr(q)ds†(p)∣0⟩=s∑∫dμpe−ipzvsα(p)vˉsβ(p)=∫dμpe−ipz(−p−m)αβ.(42.5)
数值旋量的分量彼此可交换,将vˉβvα写成vαvˉβ并不产生负号。分子中质量项的负号来自v的自旋求和,而时间序还须另计式(42.3)中的负号。这两个负号分别在求自旋和与组成时间序函数时出现。
将两种模式收缩相加,便得到控制类空局域性的反对易子:
{Ψα(x),Ψˉβ(y)}A(z)W(z)=Aαβ(z)IFock,=G+(z)+G−(z)=(i∂z+m)[W(z)−W(−z)],=∫dμpeipz.(42.6)
例如,i∂eipz=−peipz产生正序分子,而对−W(−z)求导则得到(−p−m)e−ipz,正好对应反序分子。两支相加通常不会在异时消失;将空间坐标作傅里叶变换,再取q=0,便有
A(t,0)=2γ0+I4e−imt+2γ0−I4eimt=γ0cosmt−iI4sinmt.(42.7)
这个异时反对易子一般非零。类空局域性要求的是类空分离时W(z)=W(−z),从而A(z)=0,详见第39节的类空核。只有类空分离的两个事件,其时间先后才可能随惯性系改变;在这种情况下,反对易关系恰好保证式(42.3)的两种排序具有一致的变换。费米时间序的交换号与类空局域性因此共同保证了二点函数的洛伦兹协变性。
从能量围道到傅里叶传播子
接下来要把正、负时间的两支合成一个四维傅里叶积分。第8节已经处理过标量分母的围道,现在还需追踪动量分子在两个极点的取值。设f为动量的数值多项式或矩阵多项式,考察
If(z)=ϵ→0+lim∫(2π)4d4pp2+m2−iϵeipzf(p).(42.8)
这里p0=E沿整个实轴积分,质量壳条件要在取极点时才出现。先固定空间动量q,记ω2=q2+m2、Ωϵ=ω2−iϵ,并选择实部为正、虚部为负的平方根。于是分母及极点位置可写为
p2+m2−iϵ=Ωϵ2−E2,E=Ωϵ, −Ωϵ.(42.9)
在ϵ→0+时,两极点分别趋向+ω−i0与−ω+i0,其中ϵ的量纲为质量平方。
先取f=1。当t>0时,e−iEt在下半平面衰减,围道按顺时针方向闭合;当t<0时,则在上半平面按逆时针方向闭合。实轴积分已有1/(2π),因此两种围道分别给留数乘上−i和+i。逐个代入极点,得到
J0,ϵ(t,q)≡∫2πdEΩϵ2−E2e−iEt=⎩⎨⎧(−i)−2Ωϵe−iΩϵt,(+i)+2Ωϵe+iΩϵt,t>0,t<0=2Ωϵie−iΩϵ∣t∣.(42.10)
分母对能量的导数为−2E,所以正能极点的留数还有一个负号,与顺时针围道的负号抵消。式(42.10)在时间零点连续,因而也给出了关于t的分布。对于一次能量分子,直接用Ee−iEt=i∂te−iEt求导即可:
J0(t,q)J1(t,q)=2ωie−iω∣t∣,=i∂tJ0=2isgn(t)e−iω∣t∣.(42.11)
由于J0在零点连续,第一次求导不产生δ项;一次分子的结果因而可用于整个时间轴上的分布。若f(E,q)对E至多一次,将式(42.11)的正负时间支分别写成在壳动量积分,便得到
If(z)=iθ(t)∫dμpeipzf(p)+iθ(−t)∫dμpe−ipzf(−p),p0=ωp.(42.12)
负时间一支的留数原本含f(−ωq,q),相位为e+iωqt+iq⋅z。再作q=−p,由于体积雅可比行列式的绝对值为一,且ω−p=ωp,才得到第二行的f(−p)。这里f(−p)中的负号反转全部四动量分量。
若将f推广到更高次多项式,能量次数达到二次以后,除极点贡献外还会出现局部接触项。以f=E2为例,先作多项式除法:
ω2−E2−iϵE2J2,ϵ(t,q)J2(t,q)=−1+ω2−E2−iϵω2−iϵ,=−δ(t)+2iΩϵe−iΩϵ∣t∣,=−δ(t)+2iωe−iω∣t∣.(42.13)
第一行常数−1的傅里叶变换为−δ(t),再对空间动量积分便成为−δ4(z)。同一项也可由J2=−∂t2J0读出:J0′在零点的右极限为1/2、左极限为−1/2,其导数于是含δ(t)。只写出两个极点在非重合时间的贡献,就会漏掉这一接触项。
对一般能量多项式,可用同样的除法将局部部分与一次余式分开:
f(E,q)If(z)=(ω2−E2)Q(E,q)+a(q)E+b(q),=Q(i∂t,−i∇z)δ4(z)+IaE+b(z).(42.14)
商Q为多项式,它的傅里叶变换只含δ函数及有限阶导数。这个分解采用ϵ→0+的分布边界值;若先保留有限ϵ,代数上还须留下iϵQ产生的余项,待撤去调节后再令其趋零。本节所需的f=−p+m仅含一次能量,所以Q=0,这时两个极点的贡献就给出完整传播子。
将具体分子代入,f(−p)=+p+m=−(−p−m)。式(42.12)的第一支于是为iG+,第二支为−iG−,两者合起来恰是式(42.3)定义的时间序传播子。传播子的傅里叶表示于是为
GF(z)S(z)=i1∫(2π)4d4pp2+m2−i0eipz(−p+m),=∫(2π)4d4pp2+m2−i0eipz(−p+m).(42.15)
正能极点带粒子旋量的自旋和,负能极点带反粒子的自旋和及费米时间序号;四分量矩阵分子便以这种方式同时表示两类传播。
分子对动量是一次的,也意味着可以对第8节的标量核Δ求导来得到旋量核:
S(z)=(i∂z+m)Δ(z),Δ(z)=∫(2π)4d4pp2+m2−i0eipz.(42.16)
对指数求导给i∂eipz=−peipz,因此这个写法与动量分子一致。四维中S(p)的质量维数为−1,傅里叶测度带四次质量,位置空间核的维数便为[S]=3,与两个场的总维数[Ψ]+[Ψˉ]=3相符。取m→0时保留i0边界值,也可得到分子为−p的无质量核。
左右狄拉克逆与等时接触项
传播子同外腿约化的联系,表现在它是狄拉克波算符的格林函数。分别从左右作用狄拉克算符,可以看出这一点。沿上一节记Dx=−i∂x+m、Dy=+i∂y+m,先用本书的克利福德关系计算两个分子的乘积:
p2(p+m)(−p+m)=21pμpν{γμ,γν}=−p2I4,=(−p+m)(p+m)=(p2+m2)I4.(42.17)
交叉项mp相互抵消,两种矩阵次序都给出同一标量。左作用时,−i∂x作用于指数给+p;右作用时,∂yeip(x−y)=−ipeip(x−y),所以+i∂y也给+p,只是γ矩阵须乘在S的右侧。保留有限调节器后,两种作用同时给出
DxSϵ(x−y)=Sϵ(x−y)Dy=∫(2π)4d4peip(x−y)p2+m2−iϵp2+m2I4=δ4(x−y)I4+iϵΔϵ(x−y)I4.(42.18)
最后一行用q/(q−iϵ)=1+iϵ/(q−iϵ)把δ项与调节器余项分开。要得到精确的逆,须像第8节一样对费曼核取分布边界值;对实变量q,有
q−i01=PVq1+iπδ(q),q−i0q=1.(42.19)
在本题中q=p2+m2。当m>0时,质量壳上q的梯度不为零,可以在每一局部邻域以q为横向坐标应用上述恒等式;等价地,ϵ/(q−iϵ)→0。因此,撤去调节器后,余项消失,得到双侧逆关系
DxS(x−y)=S(x−y)Dy=δ4(x−y)I4.(42.20)
这个δ函数也可以直接从时间序函数在等时面的跳跃得到。将式(42.6)的第二条动量积分在t=0时作p↦−p,两支分子相加为
(ωpγ0−piγi+m)+(ωpγ0+piγi−m)A(0,z)=2ωpγ0,=γ0δ3(z).(42.21)
空间动量项和质量项相互抵消,只留下2ωp与γ矩阵;前者又消去不变测度的分母,给出等时CAR。现在对式(42.3)作用狄拉克微分,离开t=0时,两支分别满足自由方程,留下的正是两个阶跃函数的导数:
DxGF(z)DxS(z)=−iγ0δ(t)[G+(0,z)+G−(0,z)]=−i(γ0)2δ4(z)=−iδ4(z)I4,=δ4(z)I4.(42.22)
这里(γ0)2=I4,所以得到的接触系数与上一节自由旋量LSZ中的微分相同。它由本节自由场的正则归一化确定;传播子定义中的i将GF的−iδ4转成S的δ4,使它恰好成为狄拉克算符的逆。
狄拉克场与马约拉纳场的三种二点核
此前的计算配对了一个Ψ和一个Ψˉ。还可以考虑两个未取伴随的场,或两个伴随场;对狄拉克场,这两种配对为零:
⟨0∣TΨα(x)Ψβ(y)∣0⟩=0,⟨0∣TΨˉα(x)Ψˉβ(y)∣0⟩=0.(42.23)
第一式的模式组合只有bb、bd†、d†b、d†d†。两个产生算符或两个湮灭算符的真空期望均为零;对bd†,先用{b,d†}=0换序,再由b∣0⟩=0得到零,而d†b直接湮灭右真空。两个伴随场的乘积则含b†b†、b†d、db†、dd,逐项使用同样的混合CAR与真空条件,也都为零,反序排列亦然。从荷守恒看,两个Ψ或两个Ψˉ的总荷非零,也不能在中性真空中留下非零期望。
马约拉纳场没有独立的反粒子模式,因而这种零配对结构会改变。沿用第39节的归一化,让两频率支使用同一套b模式:
ΨM(x)ΨˉM(y)=s∑∫dμp[bs(p)us(p)eipx+bs†(p)vs(p)e−ipx],=r∑∫dμq[br†(q)uˉr(q)e−iqy+br(q)vˉr(q)eiqy].(42.24)
其中b服从式(42.2)的一套CAR。计算⟨ΨMΨˉM⟩时,正序仍留下bb†uuˉ,反序则留下bb†vˉv。同式(42.4)、(42.5)相比,仅将反粒子模式d换成b,两套CAR的数值原本相同,因此混合二点函数仍为
i⟨0∣TΨMα(x)ΨˉMβ(y)∣0⟩=Sαβ(x−y).(42.25)
马约拉纳作用量中的1/2已在变分和正则约束中计入,此处二点矩阵元无需再乘1/2。
但两个ΨM相乘时,现在可以留下bb†uv,所以同类场的核不再为零。要计算它,可以直接利用马约拉纳条件,把其中一个场改写成伴随场,再应用已知的混合核。沿第36节的C矩阵约定,相关转置关系为
ΨˉMΨˉMT=ΨMTC,=CTΨM=C−1ΨM,ΨMTCT=ΨˉMC−1,=C−1=−C.(42.26)
第一行第二式由右乘C−1得到;第二行则将原条件转置,交换数值矩阵的行列及场的列行,并不交换两个场。把这两种写法分别用于两个未伴随场和两个伴随场,得到
Fαβ(x−y)Hαβ(x−y)≡i⟨0∣TΨMα(x)ΨMβ(y)∣0⟩=i⟨0∣TΨMα(x)ΨˉMγ(y)∣0⟩(C−1)γβ=[S(x−y)C−1]αβ,≡i⟨0∣TΨˉMα(x)ΨˉMβ(y)∣0⟩=(C−1)αγi⟨0∣TΨMγ(x)ΨˉMβ(y)∣0⟩=[C−1S(x−y)]αβ.(42.27)
计算F时改写了第二个场,因此矩阵出现在右边;计算H时改写第一个场,矩阵就在左边。数值矩阵可从时间序中提出而不带负号,乘法位置则由它连接的指标决定。虽然C−1=−C,保留逆矩阵的写法能直接看出这两种核怎样由混合核得到。
等时关系给出同样的区别。将混合CAR从右或左乘C−1,再用γ0C=−Cγ0,得到
{ΨMα(x),ΨMβ(y)}{ΨˉMα(x),ΨˉMβ(y)}A=(γ0C−1)αβδ3(x−y)=Aαβδ3(x−y),=(C−1γ0)αβδ3(x−y)=−Aαβδ3(x−y),=Cγ0,AT=A.(42.28)
所得结果与第37节的马约拉纳正则关系一致,也说明两个同类核的矩阵位置须分别保留。对F从左作用狄拉克算符,式(42.20)进一步给出
DxF(x−y)=δ4(x−y)C−1,CDxF(x−y)=δ4(x−y)I4.(42.29)
从时间跳跃计算时,相同的系数为γ0A=C−1。于是F是单个马约拉纳场的二次波算符CD的逆核,下一节便可用它完成源泛函中的平方。
自由费米场的配对展开
有了二点函数,还需要求含更多场的时间序真空期望。模式的反对易关系提供了逐对收缩的递推方法。令Fi表示任意自由场分量,可以是Ψα(x)或Ψˉβ(y),并将每个Fi分为湮灭部分和产生部分,即Fi=Fiann+Ficre。先按时间从晚到早排列插入,固定这个次序。由于⟨0∣F1cre=0,最左边只留下F1ann;将它依次向右移动,每一步使用AB={A,B}−BA,便有
F1annF2⋯FN=j=2∑N(−1)j−2{F1ann,Fj}F2⋯Fj⋯FN+(−1)N−1F2⋯FNF1ann.(42.30)
帽号表示删去该因子,其余次序不变。与第j个场收缩以前,湮灭部分已越过j−2个奇场,故系数为(−1)j−2。自由线性场的反对易子是数值核,可以移到链外;完全移至最右边的一项则湮灭真空。留下的每一个数值核恰是一个二点函数,因为{F1ann,Fj}=⟨0∣F1Fj∣0⟩:右侧第一个场的产生部分被左真空消掉,而换序后的FjF1ann∣0⟩=0。
再恢复任意原标签次序,并将每一对也写成费米时间序,便得到威克递推:
⟨0∣TF1⋯F2n∣0⟩=j=2∑2n(−1)j−2⟨0∣TF1Fj∣0⟩×⟨0∣TF2⋯Fj⋯F2n∣0⟩.(42.31)
继续展开右边较短的场链,每一项就成为一组完全配对。恢复原标签次序时的符号,可逐次用相邻交换来说明:交换原链中的两个相邻奇场,左边变号;右边的配对项随之重新标记。若两个场恰在同一对中,二点时间序核变号;若分属两对,则配对置换的符号变号。因此两边具有同样的交替性,在时间已排好的区域成立的递推也适用于任意原标签次序。
递推在⟨0∣0⟩=1处结束;奇数场链则最终剩下一个场,其真空期望为零。对于四个场,记Gij=⟨0∣TFiFj∣0⟩,第一次递推已给出全部结果:
⟨0∣TF1F2F3F4∣0⟩=G12G34−G13G24+G14G23.(42.32)
第一场依次与第二、第三、第四场配对,分别越过零、一、两个奇场,故三个符号为加、减、加。对更多偶数场继续使用同一步骤,就得到所有完全配对的求和,即费米威克展开。这里的推导以自由福克真空和自由场的线性模式展开为基础。
现在取交替的狄拉克场次序Ψα(x),Ψˉβ(y),Ψγ(z),Ψˉδ(w)。由式(42.23),同类场配对给G13=G24=0。剩下第三种配对中的G23还要改写为未伴随场在前的形式,其原次序为⟨TΨˉβ(y)Ψγ(z)⟩=−⟨TΨγ(z)Ψˉβ(y)⟩,因此
i2⟨0∣TΨα(x)Ψˉβ(y)Ψγ(z)Ψˉδ(w)∣0⟩=Sαβ(x−y)Sγδ(z−w)−Sαδ(x−w)Sγβ(z−y).(42.33)
每个二点核都包含一个i,两对便给出左端的i2。第二项的负号还可直接从原场链看出:第一、第四场组成Ψα(x)Ψˉδ(w)后,余下的Ψˉβ(y)与Ψγ(z)须再交换一次,才能写成同方向的混合核。一般狄拉克多点函数只有相反类型的场能配对,所以Ψ与Ψˉ数目相等是非零结果的必要条件;对于某些指标组合,配对和仍可能为零。
对于马约拉纳场,可先用Ψˉ=ΨTC将伴随场改写成未伴随场,把数值C留在对应指标上。若各场全为ΨM,三种配对都允许,四点函数因而为
i2⟨0∣TΨMα(x)ΨMβ(y)ΨMγ(z)ΨMδ(w)∣0⟩=Fαβ(x−y)Fγδ(z−w)−Fαγ(x−z)Fβδ(y−w)+Fαδ(x−w)Fβγ(y−z).(42.34)
代回F=SC−1,每一项便写成两个混合传播子与各自所连共轭矩阵的乘积。第三种收缩来自粒子和反粒子共用一套模式。
在配对求和中,同一对也可以反向书写。核在同时交换指标与时空点时满足
Fαβ(x−y)=−Fβα(y−x),F(−z)T=−F(z).(42.35)
这也可以直接从傅里叶核看出。保留有限ϵ>0,利用C(γμ)TC−1=−γμ,有
Sϵ(p)CSϵ(p)TC−1Sϵ(−z)T=p2+m2−iϵ−p+m,=p2+m2−iϵ+p+m=Sϵ(−p),=∫(2π)4d4pe−ipzC−1Sϵ(−p)C=C−1Sϵ(z)C.
最后一步令四个积分变量同时换号,积分域和绝对雅可比行列式均不变。转置只交换矩阵指标,−iϵ保持原值。再用(C−1)T=C及C2=−I4,两种同类核满足
Fϵ(−z)THϵ(−z)T=CSϵ(−z)T=Sϵ(z)C=−Fϵ(z),=Sϵ(−z)TC=C−1Sϵ(z)C2=−Hϵ(z).
取费曼分布边界值后,这两式仍成立。若将同一配对内的两个场倒写,核与配对置换各变一次号,完整配对项因而不变。因此,一对内部的书写次序可以任取,但核与配对置换的符号必须一同改变。
这样,自由多点函数都能归结到式(42.15)及配对置换,上一节的外腿约化便可作用于这些时间序核。加入相互作用以后,微扰展开的每一项仍用自由场收缩来计算,本节所得的二点核和配对规则也就成为后续计算的基础。
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