Srednicki §59 旋量电动力学中的散射

26 年 9 月 14 日 星期一
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上一节建立的费曼规则,现在可以用来计算电子与正电子湮灭为两个光子的过程。 它只有两幅树图,却同时用到了费米子的自旋求和、光子的偏振求和以及规范不变性。 先把这些步骤接起来,再完成其中的矩阵迹,就能得到适用于任意入射能量的树级结果。 高能时还可进一步忽略电子质量;下一节将利用旋量螺旋度方法简化这一情形。

两幅图怎样给出振幅

p=p1p=p_1q=p2q=p_2分别表示入射电子和正电子的动量,用k=k1k=k'_1l=k2l=k'_2 表示两个出射光子的动量。撇号只用来区别末态标签。所有这些动量都取正能, 并满足

e(p)e+(q)γ(k)γ(l),p+q=k+l,p2=q2=m2,k2=l2=0.(59.1)e^-(p)e^+(q)\longrightarrow\gamma(k)\gamma(l),\qquad p+q=k+l,\qquad p^2=q^2=-m^2,\quad k^2=l^2=0 . \tag{59.1}

本节取m>0m>0。两条光子可以按两种次序接到同一条费米线上,因而有图59a的 两个贡献。没有三光子顶点,也没有同时连接两光子与一对费米子的原始顶点, 所以在e2e^2阶没有其他树图。

电子正电子湮灭为两光子的t道与u道图,出光子次序相反而两图相加

图59a:电子正电子湮灭的两种光子次序。 左图内部箭头带动量a=pka=p-k,右图带b=plb=p-l。入正电子的物理动量是qq, 其费米箭头却沿q-q;因此左图下顶点有a=lqa=l-q,右图有b=kqb=k-q。 两条出光子线的箭头表示正能动量流出。图间的加号来自光子的玻色统计。

从左图的正电子端vˉ(q)\bar v(q)开始,逆着费米箭头读到电子端u(p)u(p),依次遇到 出光子ll的顶角、内部传播子以及出光子kk的顶角。 先固定全部外自旋和偏振,并省略相应标签:例如 εkμ=ελ1μ(k)\varepsilon_k^\mu=\varepsilon_{\lambda'_1}^\mu(\mathbf k)vˉ(q)=vˉs2(q)\bar v(q)=\bar v_{s_2}(q)u(p)=us1(p)u(p)=u_{s_1}(p)。 将上一节的内线S~/i\widetilde S/i和两个ieγie\gamma相乘,得到

iTt=εkμεlνvˉ(q)(ieγν)i(+m)a2+m2i0(ieγμ)u(p)=ie2εkμεlνvˉ(q)γν+ma2+m2i0γμu(p).(59.2)\begin{aligned} i\mathcal T_t &=\varepsilon_k^\mu\varepsilon_l^\nu\, \bar v(q)(ie\gamma_\nu) \frac{-i(-\slashed a+m)}{a^2+m^2-i0} (ie\gamma_\mu)u(p)\\ &=ie^2\varepsilon_k^\mu\varepsilon_l^\nu\, \bar v(q)\gamma_\nu \frac{-\slashed a+m}{a^2+m^2-i0}\gamma_\mu u(p). \end{aligned} \tag{59.2}

这里(ie)2(i)=ie2(ie)^2(-i)=ie^2,而图的值是iTti\mathcal T_t,故振幅本身的系数为e2e^2。 以归一化波包表示外端点,沿既定入态b1d20b_1^\dagger d_2^\dagger|0\rangle, 两个湮灭端点按d2b1d_2b_1作用, 有0d2b1b1d20=1\langle0|d_2b_1b_1^\dagger d_2^\dagger|0\rangle=1,这也固定了共同相位。 交换两条光子线不交换费米外端,第二幅图因此与第一幅相加。 两个出光子都带ε\varepsilon,只有共轭振幅才带ε\varepsilon^*

为把分母写成不变量,定义

s=(p+q)2=(k+l)2,t=(pk)2=(ql)2,u=(pl)2=(qk)2,s+t+u=4m2+2p(k+lq)=2m2.(59.3)\begin{aligned} s&=-(p+q)^2=-(k+l)^2,\\ t&=-(p-k)^2=-(q-l)^2,\qquad u=-(p-l)^2=-(q-k)^2,\\ s+t+u &=4m^2+2p\cdot(k+l-q)=2m^2 . \end{aligned} \tag{59.3}

最后一行先展开三个负平方,再使用k+lq=pk+l-q=pp2=m2p^2=-m^2。 记r=m2r=m^2dt=rtd_t=r-tdu=rud_u=r-u,则两内线分母分别为dtd_tdud_u。 把两个图相加,并将所有gamma矩阵收集到一个矩阵中,便有

T=εkμεlνvˉ(q)Aμνu(p),Aμν=e2[γνNadtγμ+γμNbduγν],Na=+m,Nb=+m,a=pk,b=pl.(59.4)\begin{aligned} \mathcal T&=\varepsilon_k^\mu\varepsilon_l^\nu \bar v(q)A_{\mu\nu}u(p),\\ A_{\mu\nu} &=e^2\left[ \gamma_\nu\frac{N_a}{d_t}\gamma_\mu+ \gamma_\mu\frac{N_b}{d_u}\gamma_\nu\right],\\ N_a&=-\slashed a+m,\qquad N_b=-\slashed b+m,\qquad a=p-k,\quad b=p-l . \end{aligned} \tag{59.4}

AμνA_{\mu\nu}是作用于旋量指标的矩阵,其两个洛伦兹指标与外偏振连接。 此处省去分母的i0i0有直接的运动学依据。取质心系,将入射电子方向选作第三轴, 令n\mathbf n是第一个出光子的单位方向、c=n3=cosθc=n_3=\cos\theta,则

E=s2,β=14rs,pμ=(E,0,0,βE),qμ=(E,0,0,βE),kμ=(E,En),lμ=(E,En).(59.5)\begin{aligned} E&=\frac{\sqrt s}{2},\qquad \beta=\sqrt{1-\frac{4r}{s}},\\ p^\mu&=(E,0,0,\beta E),\qquad q^\mu=(E,0,0,-\beta E),\\ k^\mu&=(E,E\mathbf n),\qquad l^\mu=(E,-E\mathbf n). \end{aligned} \tag{59.5}

能量守恒使每个光子的能量也等于EE。由pk=E2+βE2cp\cdot k=-E^2+\beta E^2ct=r+2pkt=r+2p\cdot k,立即得到

dt=s2(1βc),du=s2(1+βc),dt+du=s.(59.6)d_t=\frac{s}{2}(1-\beta c),\qquad d_u=\frac{s}{2}(1+\beta c),\qquad d_t+d_u=s . \tag{59.6}

在有限s4m2s\ge4m^2处,0β<10\le\beta<1c1|c|\le1,所以两个分母均为正。 本节树幅可以在整个有质量物理区域直接取实分母。以下保留振幅的e2e^2阶、 模方的e4e^4阶;在固定非奇异运动学处,圈幅与树幅的干涉从e6e^6阶开始。

自旋平均为什么成为一个迹

我们要计算未分辨初态自旋的湮灭率,因而需要先求振幅的模方,再对两个独立 初态各平均两个自旋。矩阵AμνA_{\mu\nu}使这个计算与第46节的办法完全衔接。 沿狄拉克共轭的定义Mˉ=γ0Mγ0\bar M=\gamma^0M^\dagger\gamma^0,实动量满足 =\overline{\slashed a}=\slashed a,乘积则反序。因此

γνNaγμ=γμNaγν,Aˉρσ=e2[γρNadtγσ+γσNbduγρ]=Aσρ.(59.7)\begin{aligned} \overline{\gamma_\nu N_a\gamma_\mu} &=\gamma_\mu N_a\gamma_\nu,\\ \bar A_{\rho\sigma} &=e^2\left[ \gamma_\rho\frac{N_a}{d_t}\gamma_\sigma+ \gamma_\sigma\frac{N_b}{d_u}\gamma_\rho\right] =A_{\sigma\rho}. \end{aligned} \tag{59.7}

这里交换的是两个矩阵指标,外动量仍固定不动。 若在别的运动学区域保留有限极点处方,取伴随时还须共轭该处方; 当前的实分母由式(59.6)保证。

利用(vˉMu)=uˉMˉv(\bar vMu)^*=\bar u\bar Mv,先取复共轭,再与原来的振幅相乘:

T=εkρεlσuˉ(p)Aσρv(q),T2=εkμεlνεkρεlσ(vˉAμνu)(uˉAσρv).(59.8)\begin{aligned} \mathcal T^* &=\varepsilon_k^{\rho*}\varepsilon_l^{\sigma*} \bar u(p)A_{\sigma\rho}v(q),\\ |\mathcal T|^2 &=\varepsilon_k^\mu\varepsilon_l^\nu \varepsilon_k^{\rho*}\varepsilon_l^{\sigma*} \bigl(\bar vA_{\mu\nu}u\bigr) \bigl(\bar uA_{\sigma\rho}v\bigr). \end{aligned} \tag{59.8}

外旋量的分量都是普通复数;两括号交换时没有格拉斯曼负号。 自旋求和则用第38节的完备关系,简记

P=s1us1(p)uˉs1(p)=+m,Q=s2vs2(q)vˉs2(q)=m.(59.9)P=\sum_{s_1}u_{s_1}(p)\bar u_{s_1}(p)=-\slashed p+m,\qquad Q=\sum_{s_2}v_{s_2}(q)\bar v_{s_2}(q)=-\slashed q-m . \tag{59.9}

QQ的质量项带负号,这是正电子求和与电子求和的关键差别。 为看清矩阵次序,暂把旋量指标全部写出:

s1,s2(vˉaAμν,abub)(uˉcAσρ,cdvd)=Aμν,abPbcAσρ,cdQda=Tr[AμνPAσρQ].(59.10)\begin{aligned} \sum_{s_1,s_2} (\bar v_a A_{\mu\nu,ab}u_b) (\bar u_c A_{\sigma\rho,cd}v_d) &=A_{\mu\nu,ab}P_{bc}A_{\sigma\rho,cd}Q_{da}\\ &=\operatorname{Tr}[A_{\mu\nu}P A_{\sigma\rho}Q]. \end{aligned} \tag{59.10}

第一个自旋和连接ubuˉcu_b\bar u_c,第二个连接vdvˉav_d\bar v_a,恰好把矩阵链首尾闭合。 对四种等概率初态取平均,结果为

14s1,s2T2=14εkμεlνεkρεlσTr[AμνPAσρQ].(59.11)\frac14\sum_{s_1,s_2}|\mathcal T|^2 =\frac14\varepsilon_k^\mu\varepsilon_l^\nu \varepsilon_k^{\rho*}\varepsilon_l^{\sigma*} \operatorname{Tr}[A_{\mu\nu}P A_{\sigma\rho}Q]. \tag{59.11}

接下来还要把未分辨的末态光子偏振相加。它们是不同的末态结果,所以求和, 不再除以偏振数。两个光子的同一性则在积分计数时处理。

偏振求和与两幅图的纵向抵消

库仑规范的两种物理偏振只占垂直于k\mathbf k的空间平面。第56节已经求得 其完备关系。引入时间方向的单位矢量t^\hat t和传播方向的空间单位矢量z^\hat z,可写成

Pγμρ(k)=λ=±ελμ(k)ελρ(k)=gμρ+t^μt^ρz^μz^ρ,t^2=1,ζ=t^k,z^μ=kμ+ζt^μk2+ζ2.(59.12)\begin{aligned} P_\gamma^{\mu\rho}(k) &=\sum_{\lambda=\pm} \varepsilon_\lambda^\mu(\mathbf k) \varepsilon_\lambda^{\rho*}(\mathbf k) =g^{\mu\rho}+\hat t^\mu\hat t^\rho-\hat z^\mu\hat z^\rho,\\ \hat t^2&=-1,\qquad \zeta=\hat t\cdot k,\qquad \hat z^\mu=\frac{k^\mu+\zeta\hat t^\mu}{\sqrt{k^2+\zeta^2}} . \end{aligned} \tag{59.12}

t^=(1,0)\hat t=(1,\mathbf0)的坐标系中,ζ=k0\zeta=-k^0,分子正是(0,k)(0,\mathbf k); 故z^\hat z是光子传播方向的空间单位矢量。这种写法同时消去了时间分量和 空间纵向分量,只留下两个物理方向。

如果把z^\hat z展开,投影中除度规外会出现含kμk^\mu的项。前面处理光子传播子时, 这样的项与守恒流缩并后消失;散射振幅的对应条件则是:给外偏振加上一个 沿kμk^\mu的分量,振幅保持不变。规范变换δAμ=μΓ\delta A^\mu=-\partial^\mu\Gamma 恰好产生这种纵向分量。若将实规范波的两种频率系数记为Γ±\Gamma_\pm,则

Γ(x)=Γ+(k)eikx+Γ(k)eikx,Γ=Γ+,δεμ=ikμΓ+,δεμ=+ikμΓ.(59.13)\begin{aligned} \Gamma(x)&=\Gamma_+(k)e^{ikx}+\Gamma_-(k)e^{-ikx}, \qquad \Gamma_-=\Gamma_+^*,\\ \delta\varepsilon^{\mu*}&=-ik^\mu\Gamma_+,\qquad \delta\varepsilon^\mu=+ik^\mu\Gamma_- . \end{aligned} \tag{59.13}

这里已把单个平面波的共同归一化吸收入Γ±\Gamma_\pm。 前一偏振配入光子,后一偏振配出光子,两式彼此共轭。

对一条特定的外光子线,先把其余因子统写成Mμ\mathcal M_\mu。纵向位移不改变振幅, 就要求这个矩阵元与光子动量正交:

Tout=εμMμ,Tin=εμMμ,kμMμ=0.(59.14)\mathcal T_{\rm out}=\varepsilon^\mu\mathcal M_\mu,\qquad \mathcal T_{\rm in}=\varepsilon^{\mu*}\mathcal M_\mu,\qquad k^\mu\mathcal M_\mu=0 . \tag{59.14}

这个条件称为沃德恒等式。对于本节的两幅树图,只需使用 自由狄拉克方程就能证明它。关键在于同时保留光子接到费米线上的两种次序。

D(v)=+mD(v)=\slashed v+m,并把去掉ii的自由传播子记为S(v)S(v)。克利福德关系及外旋量方程给出

S(v)=+mv2+m2,D(v)S(v)=S(v)D(v)=1,D(p)u(p)=0,vˉ(q)D(q)=0.(59.15)\begin{aligned} S(v)&=\frac{-\slashed v+m}{v^2+m^2},\qquad D(v)S(v)=S(v)D(v)=1,\\ D(p)u(p)&=0,\qquad \bar v(q)D(-q)=0 . \end{aligned} \tag{59.15}

这里仅需v=a,bv=a,b,其分母已知非零。把第一条光子的偏振换成动量kk, 两幅图分别出现S(a)S(a)\slashed kS(b)\slashed kS(b)。由于k=pa=b+qk=p-a=b+q, 它们可各化成两个逆传播子的差:

S(a)u=S(a)[D(p)D(a)]u=u,vˉS(b)=vˉ[D(b)D(q)]S(b)=vˉ,kμvˉAμνu=e2[vˉγνu+vˉγνu]=0.(59.16)\begin{aligned} S(a)\slashed k\,u &=S(a)[D(p)-D(a)]u=-u,\\ \bar v\slashed kS(b) &=\bar v[D(b)-D(-q)]S(b)=\bar v,\\ k^\mu\bar v A_{\mu\nu}u &=e^2\bigl[-\bar v\gamma_\nu u+\bar v\gamma_\nu u\bigr]=0 . \end{aligned} \tag{59.16}

第一项的负号来自内线末端,第二项的正号来自同一条线的另一端。 单幅图通常留下非零的vˉγνu\bar v\gamma_\nu u,相加后才抵消。 交换(k,μ)(k,\mu)(l,ν)(l,\nu)使a,ba,b及两图互换,因而同时得到

kμvˉAμνu=0,lνvˉAμνu=0.(59.17)k^\mu\bar v A_{\mu\nu}u=0,\qquad l^\nu\bar v A_{\mu\nu}u=0 . \tag{59.17}

两个等式均对外旋量的每一种自旋成立。第67节将从量子理论的规范对称性出发, 把这种抵消推广到含圈图的情形。

现在展开式(59.12)。同完整振幅及其共轭缩并时, 所有带kμk^\mukρk^\rho的项由上面的关系消失,剩下的时间方向分量也因k2=0k^2=0而消失:

Pγμρ=gμρ+t^μt^ρkμkρ+ζ(kμt^ρ+t^μkρ)+ζ2t^μt^ρk2+ζ2gμρ+(1ζ2k2+ζ2)t^μt^ρ k2=0 gμρ.(59.18)\begin{aligned} P_\gamma^{\mu\rho} &=g^{\mu\rho}+\hat t^\mu\hat t^\rho -\frac{k^\mu k^\rho+\zeta(k^\mu\hat t^\rho+\hat t^\mu k^\rho) +\zeta^2\hat t^\mu\hat t^\rho}{k^2+\zeta^2}\\ &\longrightarrow g^{\mu\rho}+ \left(1-\frac{\zeta^2}{k^2+\zeta^2}\right)\hat t^\mu\hat t^\rho \ \xrightarrow{k^2=0}\ g^{\mu\rho}. \end{aligned} \tag{59.18}

两条外光子都可以这样处理。这里的箭头指缩并中的替换;物理偏振张量本身 仍是秩为2的投影。因而要先对完整两图使用横向性,再将结果展开为各图的平方 和干涉项。偏振求和与自旋平均合在一起,得到

A(s,t,u):=T214s1,s2λ1,λ2T2=14Tr[AμνPAνμQ].(59.19)\mathcal A(s,t,u):=\langle|\mathcal T|^2\rangle \equiv\frac14\sum_{s_1,s_2}\sum_{\lambda'_1,\lambda'_2}|\mathcal T|^2 =\frac14\operatorname{Tr}[A_{\mu\nu}P A^{\nu\mu}Q]. \tag{59.19}

接下来的计算完全归结为四维gamma矩阵的代数。

把四个矩阵迹化为不变量

矩阵AμνA_{\mu\nu}ttuu两项,它与共轭矩阵相乘便给四个贡献。 仍用P,Q,Na,NbP,Q,N_a,N_b表示前面定义的矩阵,把初态平均的1/41/4计入各核,并按 两条内线的组合分别记为

Φtt=14Tr[γνNaγμPγμNaγνQ],Φuu=14Tr[γμNbγνPγνNbγμQ],Φtu=14Tr[γνNaγμPγνNbγμQ],Φut=14Tr[γμNbγνPγμNaγνQ].(59.20)\begin{aligned} \langle\Phi_{tt}\rangle &=\frac14\operatorname{Tr} [\gamma^\nu N_a\gamma^\mu P\gamma_\mu N_a\gamma_\nu Q],\\ \langle\Phi_{uu}\rangle &=\frac14\operatorname{Tr} [\gamma^\mu N_b\gamma^\nu P\gamma_\nu N_b\gamma_\mu Q],\\ \langle\Phi_{tu}\rangle &=\frac14\operatorname{Tr} [\gamma^\nu N_a\gamma^\mu P\gamma_\nu N_b\gamma_\mu Q],\\ \langle\Phi_{ut}\rangle &=\frac14\operatorname{Tr} [\gamma^\mu N_b\gamma^\nu P\gamma_\mu N_a\gamma_\nu Q]. \end{aligned} \tag{59.20}

每个重复洛伦兹指标都出现一次上标、一次下标。 将两条内线的分母和耦合补回去,就有

A=e4[Φttdt2+Φtu+Φutdtdu+Φuudu2].(59.21)\mathcal A=e^4\left[ \frac{\langle\Phi_{tt}\rangle}{d_t^2} +\frac{\langle\Phi_{tu}\rangle+\langle\Phi_{ut}\rangle}{d_td_u} +\frac{\langle\Phi_{uu}\rangle}{d_u^2}\right]. \tag{59.21}

交换两光子使aba\leftrightarrow btut\leftrightarrow u,并使矩阵中的 μν\mu\leftrightarrow\nu。第一条迹由此变成第二条,第三条变成第四条。 所以只需独立计算tttttutu,但两者的缩并次序不同:ttttPP两边有一对 同指标gamma,tutu的同指标gamma之间还隔着传播分子。

第47节已经从克利福德代数推导了所需的夹乘恒等式。 直接使用式(47.23)的四维结果,连同这里所需的迹公式,有

γμγμ=4,γμγμ=2,γμγμ=4vw,γμγμ=2,Tr1=4,Tr()=4vw.(59.22)\begin{aligned} \gamma^\mu\gamma_\mu&=-4,& \gamma^\mu\slashed v\gamma_\mu&=2\slashed v,\\ \gamma^\mu\slashed v\slashed w\gamma_\mu&=4v\cdot w,& \gamma^\mu\slashed v\slashed w\slashed z\gamma_\mu &=2\slashed z\slashed w\slashed v,\\ \operatorname{Tr}1&=4,& \operatorname{Tr}(\slashed v\slashed w)&=-4v\cdot w . \end{aligned} \tag{59.22}

奇数个gamma的迹为零。用这些夹乘式先缩短链,就能免去直接展开八个gamma的 全部配对。剩下的标量积由运动学决定:例如s=2r2pqs=2r-2p\cdot qt=r+2pkt=r+2p\cdot k,可得四组关系

pq=rs2,kl=s2,pk=ql=tr2,pl=qk=ur2.(59.23)\begin{aligned} p\cdot q&=r-\frac s2,\qquad &k\cdot l&=-\frac s2,\\ p\cdot k=q\cdot l&=\frac{t-r}{2},& p\cdot l=q\cdot k&=\frac{u-r}{2}. \end{aligned} \tag{59.23}

第一行来自ss的两种写法,第二行来自t,ut,u各自的两种写法, 只需分别使用p2=q2=rp^2=q^2=-rk2=l2=0k^2=l^2=0。 据此再列出内部动量将要用到的积:

a2=t,b2=u,pa=rpk=t+r2,qa=qpqk=t+r2,pb=u+r2,qb=u+r2,ab=p2p(k+l)+kl=rt+u2r2s2=r.(59.24)\begin{aligned} a^2&=-t,\qquad b^2=-u,\\ p\cdot a&=-r-p\cdot k=-\frac{t+r}{2},& q\cdot a&=q\cdot p-q\cdot k=\frac{t+r}{2},\\ p\cdot b&=-\frac{u+r}{2},& q\cdot b&=\frac{u+r}{2},\\ a\cdot b &=p^2-p\cdot(k+l)+k\cdot l\\ &=-r-\frac{t+u-2r}{2}-\frac s2=-r . \end{aligned} \tag{59.24}

qaq\cdot a一式的最后一步及最后一行用了s+t+u=2rs+t+u=2r; 换成bb时只交换t,ut,u。这些关系将所有迹的结果化为s,t,u,ms,t,u,m

先计算tttt。紧邻PP的夹乘为 γμPγμ=2(+2m)\gamma^\mu P\gamma_\mu=-2(\slashed p+2m)。 因此剩下的工作是先把X=Na(+2m)NaX=N_a(\slashed p+2m)N_a化为单位矩阵和一个gamma的线性组合。 把两个NaN_a展开,有

X=+2m2m(+)4r+r+2m3=(a2+r)2(ap+2r)+2m(apa2+r)=(rt)+(t3r)+m(t+r).(59.25)\begin{aligned} X={}&\slashed a\slashed p\slashed a +2m\slashed a^2 -m(\slashed a\slashed p+\slashed p\slashed a) -4r\slashed a+r\slashed p+2m^3\\ ={}&(a^2+r)\slashed p -2(a\cdot p+2r)\slashed a +2m(a\cdot p-a^2+r)\\ ={}&(r-t)\slashed p+(t-3r)\slashed a+m(t+r). \end{aligned} \tag{59.25}

第二行用了2=a2\slashed a^2=-a^2以及 +=2ap\slashed a\slashed p+\slashed p\slashed a=-2a\cdot p。 三gamma项也可先交换前两个因子,得到 =22(ap)=a22(ap)\slashed a\slashed p\slashed a =-\slashed p\slashed a^2-2(a\cdot p)\slashed a =a^2\slashed p-2(a\cdot p)\slashed a。 再代入式(59.24),便是最后一行。

现在只剩XX外面的另一对gamma。一个gamma的夹乘给2,单位矩阵的夹乘给4-4, 于是

Φtt=12Tr[γνXγνQ],γνXγν=2(rt)+2(t3r)4m(t+r),Tr(Q)=4pq,Tr(Q)=4aq,TrQ=4m,Φtt=4[(rt)pq+(t3r)aq+2r(t+r)].(59.26)\begin{aligned} \langle\Phi_{tt}\rangle &=-\frac12\operatorname{Tr}[\gamma^\nu X\gamma_\nu Q],\\ \gamma^\nu X\gamma_\nu &=2(r-t)\slashed p+2(t-3r)\slashed a-4m(t+r),\\ \operatorname{Tr}(\slashed pQ)&=4p\cdot q,\qquad \operatorname{Tr}(\slashed aQ)=4a\cdot q,\qquad \operatorname{Tr}Q=-4m,\\ \langle\Phi_{tt}\rangle &=-4\bigl[(r-t)p\cdot q+(t-3r)a\cdot q+2r(t+r)\bigr]. \end{aligned} \tag{59.26}

将两个标量积代入,再按s+t+u=2rs+t+u=2r消去ss,便得到

Φtt=4[(rt)(rs2)+(t3r)(t+r)2+2r(t+r)]=2[(rt)st23r2]=2[tur(3t+u)r2].(59.27)\begin{aligned} \langle\Phi_{tt}\rangle &=-4\left[(r-t)\left(r-\frac s2\right) +\frac{(t-3r)(t+r)}2+2r(t+r)\right]\\ &=2[(r-t)s-t^2-3r^2]\\ &=2[tu-r(3t+u)-r^2]. \end{aligned} \tag{59.27}

中间一行保留ss,有助于检查最后的变量替换;它与最后一行是同一多项式。

干涉核tutu的计算从另一处开始。先缩并第一与第三个显式gamma,把所得矩阵记为LμL^\mu

Lμ=γνNaγμPγν=γν[γμmγμmγμ+rγμ]γν=2γμ4m(aμ+pμ)+2rγμ,Φtu=14Tr[LμNbγμQ].(59.28)\begin{aligned} L^\mu &=\gamma^\nu N_a\gamma^\mu P\gamma_\nu\\ &=\gamma^\nu\left[ \slashed a\gamma^\mu\slashed p -m\slashed a\gamma^\mu-m\gamma^\mu\slashed p+r\gamma^\mu \right]\gamma_\nu\\ &=2\slashed p\gamma^\mu\slashed a -4m(a^\mu+p^\mu)+2r\gamma^\mu,\\ \langle\Phi_{tu}\rangle &=\frac14\operatorname{Tr}[L^\mu N_b\gamma_\mu Q]. \end{aligned} \tag{59.28}

三gamma夹乘反转次序,所以第一项变为2γμ2\slashed p\gamma^\mu\slashed a; 两个二gamma夹乘分别给4aμ4a^\mu4pμ4p^\mu。 由此得到的三项可分别求迹,最后再相加。

第一项中还含一对夹乘。将Nb=+mN_b=-\slashed b+m展开,它成为 γμNbγμ=4ab+2m\gamma^\mu\slashed aN_b\gamma_\mu=-4a\cdot b+2m\slashed a,故

T1=12Tr[γμNbγμQ]=2(ab)Tr(Q)+mTr(Q)=8(ab)(pq)+4r(pa).(59.29)\begin{aligned} T_1 &=\frac12\operatorname{Tr} [\slashed p\gamma^\mu\slashed aN_b\gamma_\mu Q]\\ &=-2(a\cdot b)\operatorname{Tr}(\slashed pQ) +m\operatorname{Tr}(\slashed p\slashed aQ)\\ &=-8(a\cdot b)(p\cdot q)+4r(p\cdot a). \end{aligned} \tag{59.29}

最后一步中,Q\slashed p\slashed aQ的三gamma部分迹为零, 质量项则为mTr()=4mpa-m\operatorname{Tr}(\slashed p\slashed a)=4m\,p\cdot a

第二项的aμ+pμa^\mu+p^\mu直接与γμ\gamma_\mu缩并,形成\slashed h, 其中h=a+ph=a+p。乘开两个质量项后,只有两个二gamma迹留下:

T2=mTr[(+m)(m)]=mTr[+mmr]=m[4mbh+4mhq]=4r[b(a+p)q(a+p)].(59.30)\begin{aligned} T_2 &=-m\operatorname{Tr}[(-\slashed b+m)\slashed h(-\slashed q-m)]\\ &=-m\operatorname{Tr} [\slashed b\slashed h\slashed q +m\slashed b\slashed h-m\slashed h\slashed q-r\slashed h]\\ &=-m[-4m\,b\cdot h+4m\,h\cdot q]\\ &=4r[b\cdot(a+p)-q\cdot(a+p)]. \end{aligned} \tag{59.30}

第一项和最后一项分别含三个、一个gamma,故迹为零。 第三部分最短;由γμNbγμ=24m\gamma^\mu N_b\gamma_\mu=-2\slashed b-4m,得到

T3=r2Tr[γμNbγμQ]=r2Tr[(24m)(m)]=r2[8bq+16r]=4rbq+8r2.(59.31)\begin{aligned} T_3 &=\frac r2\operatorname{Tr}[\gamma^\mu N_b\gamma_\mu Q]\\ &=\frac r2\operatorname{Tr}[(-2\slashed b-4m)(-\slashed q-m)]\\ &=\frac r2[-8b\cdot q+16r] =-4r\,b\cdot q+8r^2. \end{aligned} \tag{59.31}

这样原来的长迹已经全部变成标量积。将三部分合并,用 ab=ra\cdot b=-rpq=rs/2p\cdot q=r-s/2以及式(59.24),便有

Φtu=8(ab)(pq)+4r[pa+ab+pbqapqqb]+8r2=8r(rs2)+4r(3s26r)+8r2=2r(s4r).(59.32)\begin{aligned} \langle\Phi_{tu}\rangle ={}&-8(a\cdot b)(p\cdot q)\\ &+4r[p\cdot a+a\cdot b+p\cdot b-q\cdot a-p\cdot q-q\cdot b] +8r^2\\ ={}&8r\left(r-\frac s2\right) +4r\left(\frac{3s}{2}-6r\right)+8r^2\\ ={}&2r(s-4r). \end{aligned} \tag{59.32}

第二行方括号内的化简也可直接分组: paqa=(t+r)p\cdot a-q\cdot a=-(t+r)pbqb=(u+r)p\cdot b-q\cdot b=-(u+r)abpq=s/22ra\cdot b-p\cdot q=s/2-2r; 总和为s/2tu4r=3s/26rs/2-t-u-4r=3s/2-6r

最后交换两光子,即将t,ut,u互换,另外两个核便为

Φuu=2[tur(3u+t)r2],Φut=2r(s4r)=Φtu.(59.33)\begin{aligned} \langle\Phi_{uu}\rangle &=2[tu-r(3u+t)-r^2],\\ \langle\Phi_{ut}\rangle &=2r(s-4r)=\langle\Phi_{tu}\rangle . \end{aligned} \tag{59.33}

ttttuuuu交换了t,ut,u的系数,干涉项只依赖ss,所以在交换下保持不变。 四个核都具有质量维数4,除以相应两个分母后,式(59.21) 成为无量纲的振幅平方。

完整结果及其物理极限

把四个核合起来,便可直接讨论湮灭率的能量和角度依赖。 先用t=rdtt=r-d_tu=rduu=r-d_u将各核改写为

Φtt=2dtdu+4rdt8r2,Φuu=2dtdu+4rdu8r2,Φtu+Φut=4r(dt+du)16r2.(59.34)\begin{aligned} \langle\Phi_{tt}\rangle&=2d_td_u+4rd_t-8r^2,\\ \langle\Phi_{uu}\rangle&=2d_td_u+4rd_u-8r^2,\\ \langle\Phi_{tu}\rangle+\langle\Phi_{ut}\rangle &=4r(d_t+d_u)-16r^2 . \end{aligned} \tag{59.34}

例如第一行的t,ut,u乘积给 2(r2rdtrdu+dtdu)2(r^2-rd_t-rd_u+d_td_u),线性质量项给 2r(4r3dtdu)-2r(4r-3d_t-d_u),再减2r22r^2,便得到所列结果。 把三行分别除以dt2,du2,dtdud_t^2,d_u^2,d_td_u后,线性质量项中的两组倒数相加, 平方质量项中的交叉分母则补成一个完全平方:

A=2e4[dtdu+dudt+4r(1dt+1du)4r2(1dt+1du)2].(59.35)\mathcal A =2e^4\left[ \frac{d_t}{d_u}+\frac{d_u}{d_t} +4r\left(\frac1{d_t}+\frac1{d_u}\right) -4r^2\left(\frac1{d_t}+\frac1{d_u}\right)^2 \right]. \tag{59.35}

这个表达式显然在t,ut,u交换下不变,但最后一项带负号,非负性尚未直接显出。 将它改写到质心系便能同时看清符号与角分布。式(59.6)

dtdu+dudt=2(1+β2c2)1β2c2,1dt+1du=4s(1β2c2),4rs=1β2.(59.36)\begin{aligned} \frac{d_t}{d_u}+\frac{d_u}{d_t} &=\frac{2(1+\beta^2c^2)}{1-\beta^2c^2},\\ \frac1{d_t}+\frac1{d_u} &=\frac{4}{s(1-\beta^2c^2)},\qquad \frac{4r}{s}=1-\beta^2 . \end{aligned} \tag{59.36}

Dc=1β2c2D_c=1-\beta^2c^2,后两个质量项合起来为 4(1β2)/Dc4(1β2)2/Dc2=4β2(1β2)(1c2)/Dc24(1-\beta^2)/D_c-4(1-\beta^2)^2/D_c^2 =4\beta^2(1-\beta^2)(1-c^2)/D_c^2。 于是完整树级结果也可写成

A=4e4[1+β2c21β2c2+2β2(1β2)(1c2)(1β2c2)2].(59.37)\mathcal A =4e^4\left[ \frac{1+\beta^2c^2}{1-\beta^2c^2} +\frac{2\beta^2(1-\beta^2)(1-c^2)} {(1-\beta^2c^2)^2}\right]. \tag{59.37}

在物理区域内两项均非负,且ccc\to-c对应交换两个相同光子。 阈值附近β0\beta\to0,入粒子失去空间运动方向,未极化的结果应当各向同性; 上式确实给出

A4e4,Φtu=Φut0.(59.38)\mathcal A\longrightarrow4e^4,\qquad \langle\Phi_{tu}\rangle=\langle\Phi_{ut}\rangle\longrightarrow0 . \tag{59.38}

这里取极限的是振幅平方。若用它求湮灭截面,还须除以入射通量。 第11节的两体相空间公式(11.30)在本节只需代入 k/p=1/β|\mathbf k|/|\mathbf p|=1/\beta;若用第一个带标签光子的全立体角计数事件, 再除以两个相同末态的2!2!,得到补充的截面关系

dσeventdΩfull sphere=12!A64π2s1β,σeventβ0e432πm2β=παem22m2β.(59.39)\begin{aligned} \left.\frac{d\sigma_{\rm event}}{d\Omega}\right|_{\rm full\ sphere} &=\frac1{2!}\frac{\mathcal A}{64\pi^2s}\frac1\beta,\\ \sigma_{\rm event}\xrightarrow{\beta\to0} &\frac{e^4}{32\pi m^2\beta} =\frac{\pi\alpha_{\rm em}^2}{2m^2\beta}. \end{aligned} \tag{59.39}

最后一式用了角积分4π4\pis4m2s\to4m^2e2=4παeme^2=4\pi\alpha_{\rm em}。 也可以只积分一个不重复的光子半球,此时不写1/2!1/2!。 阈值处截面的1/β1/\beta来自趋零的入射通量,前面的振幅平方本身保持有限。 这里先取树级贡献,再作小β\beta展开。

另一个有用极限是sm2s\gg m^2。在cc固定且远离±1\pm1时, 1β2c21-\beta^2c^2保持非零,所有显式质量修正都按m2/sm^2/s减小,故

A=2e4(ut+tu)+O(e4m2/s)=4e41+c21c2+O(e4m2/s).(59.40)\mathcal A =2e^4\left(\frac ut+\frac tu\right)+O(e^4m^2/s) =4e^4\frac{1+c^2}{1-c^2}+O(e^4m^2/s). \tag{59.40}

误差估计在任意固定的闭角区间c1δ|c|\le1-\deltaδ>0\delta>0上成立。 若同时接近前向,1βc1-\beta c中的1β2m2/s1-\beta\simeq2m^2/s 会与1cθ2/21-c\simeq\theta^2/2竞争;当θ2\theta^2降到m2/sm^2/s量级时, 分母中的质量便不能先删去。后向区域同理。因此无质量电子近似 适合固定角的高能振幅,全角积分仍需保留两端的质量尺度。

从湮灭过程到康普顿散射

p,kp,k表示入射电子和光子的动量,用p,kp',k'表示相应的末态动量。四个外动量 均取正能,康普顿过程及其不变量为

e(p)+γ(k)e(p)+γ(k),p+k=p+k,p2=p2=m2,k2=k2=0,s=(p+k)2,t=(pp)2,u=(pk)2,s+t+u=2m2.(59.41)\begin{aligned} e^-(p)+\gamma(k)&\longrightarrow e^-(p')+\gamma(k'), &p+k&=p'+k',\\ p^2=p'^2&=-m^2,& k^2=k'^2&=0,\\ s&=-(p+k)^2,&t&=-(p-p')^2,\qquad u=-(p-k')^2,\\ s+t+u&=2m^2. \end{aligned} \tag{59.41}

为区分两个过程,暂将湮灭的不变量记成sa,ta,uas_{\rm a},t_{\rm a},u_{\rm a}。 湮灭的矩阵表达式是四动量的有理函数;在保持外线在壳的条件下作代换

p1p,p2p,k1k,k2k.(59.42)p_1\mapsto p,\qquad p_2\mapsto-p',\qquad k'_1\mapsto-k,\qquad k'_2\mapsto k'. \tag{59.42}

原来的守恒式p1+p2=k1+k2p_1+p_2=k'_1+k'_2由此变成pp=k+kp-p'=-k+k',正是康普顿过程 的动量守恒。三个不变量则逐一变为

sa=(p1+p2)2(pp)2=t,ta=(p1k1)2(p+k)2=s,ua=(p1k2)2(pk)2=u.(59.43)\begin{aligned} s_{\rm a}=-(p_1+p_2)^2&\longmapsto-(p-p')^2=t,\\ t_{\rm a}=-(p_1-k'_1)^2&\longmapsto-(p+k)^2=s,\\ u_{\rm a}=-(p_1-k'_2)^2&\longmapsto-(p-k')^2=u. \end{aligned} \tag{59.43}

可见s,ts,t的交换来自一条费米外线与一条光子外线同时换到另一边。 在新的物理过程里,两个内部费米动量为p+kp+kpkp-k'。记r=m2r=m^2,直接沿 第58节的费曼规则读这两幅图,就得到

TC=εμ(k)εν(k)uˉ(p)Bμνu(p),Bμν=e2[γν+mrsγμ+γμ++mruγν].(59.44)\begin{aligned} \mathcal T_{\rm C} &=\varepsilon^{\mu *}(k)\varepsilon^\nu(k') \bar u(p')B_{\mu\nu}u(p),\\ B_{\mu\nu} &=e^2\left[ \gamma_\nu\frac{-\slashed p-\slashed k+m}{r-s}\gamma_\mu +\gamma_\mu\frac{-\slashed p+\slashed k'+m}{r-u}\gamma_\nu \right]. \end{aligned} \tag{59.44}

第一条光子现在入射,依本书的模式展开带ε(k)\varepsilon^*(k);出光子仍带 ε(k)\varepsilon(k')。矩阵BB就是前面的AA经过式(59.42) 的动量代换所得的矩阵。将它接到康普顿过程的正能外旋量和偏振上, 便得到所需的物理振幅。

接下来比较两种未极化模方。仍记湮灭结果为A\mathcal A,康普顿结果记为 C\mathcal C,并把求和、平均的对象明确写出:

A=14s1,s2λ1,λ2Tann2,C=14s,λs,λTC2.(59.45)\begin{aligned} \mathcal A &=\frac14\sum_{s_1,s_2}\sum_{\lambda_1,\lambda_2} |\mathcal T_{\rm ann}|^2,\\ \mathcal C &=\frac14\sum_{s,\lambda}\sum_{s',\lambda'} |\mathcal T_{\rm C}|^2. \end{aligned} \tag{59.45}

湮灭初态是两个各有两种自旋的费米子;康普顿初态是一个电子和一个有两种 物理偏振的光子。因此两者的初态平均都为1/(2×2)=1/41/(2\times2)=1/4,末态则各自 求和。交叉虽然改变了哪些标签属于初态,却没有改变这次平均的总权重。

负号出现在费米子的自旋求和处。原来入射正电子的自旋和是 Q2=2mQ_2=-\slashed p_2-m,经过交叉后

Q2p2=p=m=P,P=sus(p)uˉs(p)=+m,P=+m.(59.46)\begin{aligned} Q_2\big|_{p_2=-p'} &=\slashed p'-m=-P',\\ P'&=\sum_{s'}u_{s'}(p')\bar u_{s'}(p')=-\slashed p'+m, \qquad P=-\slashed p+m. \end{aligned} \tag{59.46}

其余矩阵链仍按原有次序相乘。前面的两图沃德消去只用了动量守恒和外壳 狄拉克方程,经过上述代换后仍成立,故康普顿的入、出物理偏振和也可在完整 幅中用度规替代。用Bˉ=γ0Bγ0\bar B=\gamma^0B^\dagger\gamma^0记狄拉克共轭,有

C(s,t,u)=14gμρgνσTr(BμνPBˉρσP),A(sa,ta,ua)crossing=14gμρgνσTr(BμνPBˉρσ[P])=C(s,t,u).(59.47)\begin{aligned} \mathcal C(s,t,u) &=\frac14g^{\mu\rho}g^{\nu\sigma} \operatorname{Tr}(B_{\mu\nu}P\bar B_{\rho\sigma}P'),\\ \mathcal A(s_{\rm a},t_{\rm a},u_{\rm a})\big|_{\rm crossing} &=\frac14g^{\mu\rho}g^{\nu\sigma} \operatorname{Tr}(B_{\mu\nu}P\bar B_{\rho\sigma}[-P']) =-\mathcal C(s,t,u). \end{aligned} \tag{59.47}

这个负号来自正电子自旋和与交叉后的电子自旋和之差。右边的A(t,s,u)\mathcal A(t,s,u)是原有理函数在 交叉运动学处的值,已离开湮灭的正能物理区域;它不再代表那个区域中的 非负湮灭概率。固定自旋振幅的交叉还涉及外态旋量和相位,而这里的负号 已经由求和后的矩阵Q2PQ_2\mapsto-P'完全确定。

前面合并后的结果,即式(59.35), 作sats_{\rm a}\mapsto ttast_{\rm a}\mapsto suauu_{\rm a}\mapsto u的代换, 得到完整的康普顿模方

C(s,t,u)=A(t,s,u)=2e4[dsdududs4r(1ds+1du)+4r2(1ds+1du)2],ds=rs,du=ru.(59.48)\begin{aligned} \mathcal C(s,t,u)&=-\mathcal A(t,s,u)\\ &=2e^4\left[ -\frac{d_s}{d_u}-\frac{d_u}{d_s} -4r\left(\frac1{d_s}+\frac1{d_u}\right) +4r^2\left(\frac1{d_s}+\frac1{d_u}\right)^2 \right],\\ d_s&=r-s,\qquad d_u=r-u. \end{aligned} \tag{59.48}

对未来向的有质量pp及非零未来向光子动量,有pk<0p\cdot k<0pk<0p\cdot k'<0,所以ds=2pk<0d_s=2p\cdot k<0du=2pk>0d_u=-2p\cdot k'>0。 两条内部费米子均不在壳,可以按上面的步骤在这些物理点使用实分母。 四项的组合及其非负性,到电子静止系会变得更直观。

光子反冲怎样进入模方

取初电子静止系,用ω,ω>0\omega,\omega'>0表示入、出光子的能量, n,n\boldsymbol n,\boldsymbol n'表示它们的方向:

p=(m,0),k=(ω,ωn),k=(ω,ωn),c=nn=cosθ,p=p+kk,E=m+ωω.(59.49)\begin{aligned} p&=(m,\mathbf0),&k&=(\omega,\omega\boldsymbol n), &k'&=(\omega',\omega'\boldsymbol n'),\\ c&=\boldsymbol n\cdot\boldsymbol n'=\cos\theta, &p'&=p+k-k',&E'&=m+\omega-\omega'. \end{aligned} \tag{59.49}

末态电子发生反冲。把p=p+kkp'=p+k-k'代入 它的外壳条件,利用p2=m2p^2=-m^2及两个光子的零质量,得到

0=p2+m2=2p(kk)2kk=2m(ωω)+2ωω(1c).(59.50)\begin{aligned} 0=p'^2+m^2 &=2p\cdot(k-k')-2k\cdot k'\\ &=-2m(\omega-\omega')+2\omega\omega'(1-c). \end{aligned} \tag{59.50}

将最后一式除以2mωω2m\omega\omega',便有康普顿的能量关系

1ω1ω=1cm,ω=ω1+(ω/m)(1c).(59.51)\frac1{\omega'}-\frac1\omega=\frac{1-c}{m}, \qquad \omega'=\frac{\omega}{1+(\omega/m)(1-c)}. \tag{59.51}

分母不小于1,故0<ωω0<\omega'\le\omega;只有正前向散射保持原来的光子 能量。这个损失正是电子获得的反冲动能EmE'-m。 在同一参考系,不变量和分母分别成为

s=r+2mω,u=r2mω,t=2ωω(1c),ds=2mω,du=2mω.(59.52)\begin{aligned} s&=r+2m\omega,&u&=r-2m\omega',& t&=-2\omega\omega'(1-c),\\ d_s&=-2m\omega,&d_u&=2m\omega'. \end{aligned} \tag{59.52}

因此式(59.48)中的两个组合可直接化为

dsdu+duds=ωωωω,1ds+1du=12m(1ω1ω)=1c2r.(59.53)\begin{aligned} \frac{d_s}{d_u}+\frac{d_u}{d_s} &=-\frac\omega{\omega'}-\frac{\omega'}\omega,\\ \frac1{d_s}+\frac1{d_u} &=\frac1{2m}\left(\frac1{\omega'}-\frac1\omega\right) =\frac{1-c}{2r}. \end{aligned} \tag{59.53}

前一个组合来自两条内线的能量分母;后一个组合正好由外电子的在壳条件 确定。代入后,两个质量项合成2(1c)+(1c)2=c21-2(1-c)+(1-c)^2=c^2-1,结果为

C=2e4[ωω+ωω2(1c)+(1c)2]=2e4[ωω+ωωsin2θ].(59.54)\begin{aligned} \mathcal C &=2e^4\left[\frac\omega{\omega'}+\frac{\omega'}\omega -2(1-c)+(1-c)^2\right]\\ &=2e^4\left[\frac\omega{\omega'}+\frac{\omega'}\omega -\sin^2\theta\right]. \end{aligned} \tag{59.54}

这就是产生克莱因–仁科截面的未极化树级模方。因为正数ω/ω\omega'/\omega 与其倒数之和不小于2,方括号至少为1+c21+c^2,结果的非负性现在已经显出。 进一步令x=ω/mx=\omega/m,用式(59.51)可把低能 修正也完整留下:

ωω+ωω=2+x2(1c)21+x(1c),C=2e4[1+c2+x2(1c)21+x(1c)]=2e4(1+c2)+O(e4x2),x0+.(59.55)\begin{aligned} \frac\omega{\omega'}+\frac{\omega'}\omega &=2+\frac{x^2(1-c)^2}{1+x(1-c)},\\ \mathcal C &=2e^4\left[1+c^2+\frac{x^2(1-c)^2}{1+x(1-c)}\right]\\ &=2e^4(1+c^2)+O(e^4x^2),\qquad x\to0^+. \end{aligned} \tag{59.55}

能量比及其倒数的一阶修正相消,所以模方的第一项反冲修正从x2x^2开始。 这个展开在全角范围1c1-1\le c\le1一致成立,因为0x(1c)2x0\le x(1-c)\le2x。 若要得到实际角分布,还须把末态相空间随ω\omega'的变化包括进来。

从两体测度得到角分布

沿第11节的通量归一,初电子静止时的不变通量因子为 F=pk=mω\mathcal F=|p\cdot k|=m\omega。末态是一个电子和一个光子,二者可区别, 因此没有相同末态的阶乘。取末光子的立体角为dΩd\Omega,有

dσ=C4mωdΦ2,dΦ2=(2π)4δ4(p+kpk)d3p(2π)32Ed3k(2π)32ω.(59.56)\begin{aligned} d\sigma&=\frac{\mathcal C}{4m\omega}\,d\Phi_2,\\ d\Phi_2&=(2\pi)^4\delta^4(p+k-p'-k') \frac{d^3p'}{(2\pi)^3\,2E'} \frac{d^3k'}{(2\pi)^3\,2\omega'}. \end{aligned} \tag{59.56}

先用三维动量δ\delta积分掉p\mathbf p',令剩余光子径向变量为w>0w>0。 这时p=ωnwn\mathbf p'=\omega\boldsymbol n-w\boldsymbol n',故电子能量以及 能量δ\delta的宗量是

E(w)=m2+ω2+w22ωwc,f(w)=m+ωwE(w),dΦ2dΩ=116π20dwwE(w)δ(f(w)).(59.57)\begin{aligned} E'(w)&=\sqrt{m^2+\omega^2+w^2-2\omega wc},\\ f(w)&=m+\omega-w-E'(w),\\ \frac{d\Phi_2}{d\Omega} &=\frac1{16\pi^2}\int_0^\infty dw\, \frac{w}{E'(w)}\delta(f(w)). \end{aligned} \tag{59.57}

系数来自(2π)4/(2π)6(2\pi)^4/(2\pi)^6与两条测度的1/41/4d3k=w2dwdΩd^3k'=w^2dw\,d\Omega 再与光子测度中的1/w1/w相约,只留下一个ww。因m>0m>0,有 E(w)>wωcE'(w)>|w-\omega c|,所以ff严格递减,它的正根就是 式(59.51)给出的w=ωw=\omega'。根处的雅可比为

f(w)=1wωcE(w)<0,f(ω)=E+ωωcE=m+ω(1c)E,δ(f(w))=Em+ω(1c)δ(wω).(59.58)\begin{aligned} f'(w)&=-1-\frac{w-\omega c}{E'(w)}<0,\\ |f'(\omega')| &=\frac{E'+\omega'-\omega c}{E'} =\frac{m+\omega(1-c)}{E'},\\ \delta(f(w)) &=\frac{E'}{m+\omega(1-c)}\delta(w-\omega'). \end{aligned} \tag{59.58}

第二行用了根处的能量守恒E+ω=m+ωE'+\omega'=m+\omega。把这个因子代回径向 积分,并再次使用m+ω(1c)=mω/ωm+\omega(1-c)=m\omega/\omega',得到

dΦ2dΩ=116π2ωm+ω(1c)=ω216π2mω.(59.59)\frac{d\Phi_2}{d\Omega} =\frac1{16\pi^2}\frac{\omega'}{m+\omega(1-c)} =\frac{\omega'^2}{16\pi^2m\omega}. \tag{59.59}

现在通量与相空间的来源都已明确。用αem=e2/(4π)>0\alpha_{\rm em}=e^2/(4\pi)>0, 最终得到克莱因–仁科微分截面

dσdΩ=C64π2m2(ωω)2=αem22m2(ωω)2[ωω+ωωsin2θ].(59.60)\begin{aligned} \frac{d\sigma}{d\Omega} &=\frac{\mathcal C}{64\pi^2m^2} \left(\frac{\omega'}\omega\right)^2\\ &=\frac{\alpha_{\rm em}^2}{2m^2} \left(\frac{\omega'}\omega\right)^2 \left[\frac\omega{\omega'}+\frac{\omega'}\omega-\sin^2\theta\right]. \end{aligned} \tag{59.60}

截面的质量维数为2-2;前面的能量比来自末态测度和能量守恒的雅可比。 它使截面在x=ω/mx=\omega/m的一阶就感受到反冲,尽管模方本身的一阶项已相消:

dσdΩ=αem22m2(1+c2)[12x(1c)+O(x2)],x0+.(59.61)\frac{d\sigma}{d\Omega} =\frac{\alpha_{\rm em}^2}{2m^2}(1+c^2) \left[1-2x(1-c)+O(x^2)\right],\qquad x\to0^+. \tag{59.61}

零阶项就是汤姆孙角分布。由于这里的低能展开对全角一致,可以将领先项 直接积分;方位角给2π2\pi,余下的多项式积分给出有限总截面

σTh=αem22m22π11dc(1+c2)=αem22m22π(2+23)=8παem23m2.(59.62)\begin{aligned} \sigma_{\mathrm{Th}} &=\frac{\alpha_{\rm em}^2}{2m^2}\,2\pi\int_{-1}^1dc\,(1+c^2)\\ &=\frac{\alpha_{\rm em}^2}{2m^2}\,2\pi\left(2+\frac23\right) =\frac{8\pi\alpha_{\rm em}^2}{3m^2}. \end{aligned} \tag{59.62}

低能光子主要改变方向,反冲能量占入射光子能量的比例趋于零,因而恢复这一 只由电荷和电子质量决定的散射尺度。较高能量时,式(59.51) 给出的能量损失同时改变模方和可用末态相空间,两者合在一起才是完整的角分布。

下一节回到高能情形,直接组织各个螺旋度的振幅。


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文章标题:Srednicki §59 旋量电动力学中的散射

文章作者:Whitney

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