系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
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
用p=p1、q=p2分别表示入射电子和正电子的动量,用k=k1′、l=k2′
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)
本节取m>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e2阶没有其他树图。
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=p−k,右图带b=p−l。入正电子的物理动量是q,
其费米箭头却沿−q;因此左图下顶点有a=l−q,右图有b=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)开始,逆着费米箭头读到电子端u(p),依次遇到
出光子l的顶角、内部传播子以及出光子k的顶角。
先固定全部外自旋和偏振,并省略相应标签:例如
εkμ=ελ1′μ(k)、
vˉ(q)=vˉs2(q)、u(p)=us1(p)。
将上一节的内线S/i和两个ieγ相乘,得到
iTt=εkμεlνvˉ(q)(ieγν)a2+m2−i0−i(−a+m)(ieγμ)u(p)=ie2εkμεlνvˉ(q)γνa2+m2−i0−a+mγμu(p).(59.2)
这里(ie)2(−i)=ie2,而图的值是iTt,故振幅本身的系数为e2。
以归一化波包表示外端点,沿既定入态b1†d2†∣0⟩,
两个湮灭端点按d2b1作用,
有⟨0∣d2b1b1†d2†∣0⟩=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,只有共轭振幅才带ε∗。
为把分母写成不变量,定义
sts+t+u=−(p+q)2=−(k+l)2,=−(p−k)2=−(q−l)2,u=−(p−l)2=−(q−k)2,=4m2+2p⋅(k+l−q)=2m2.(59.3)
最后一行先展开三个负平方,再使用k+l−q=p与p2=−m2。
记r=m2、dt=r−t、du=r−u,则两内线分母分别为dt和du。
把两个图相加,并将所有gamma矩阵收集到一个矩阵中,便有
TAμνNa=εkμεlνvˉ(q)Aμνu(p),=e2[γνdtNaγμ+γμduNbγν],=−a+m,Nb=−b+m,a=p−k,b=p−l.(59.4)
Aμν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i0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是第一个出光子的单位方向、c=n3=cosθ,则
Epμkμ=2s,β=1−s4r,=(E,0,0,βE),qμ=(E,0,0,−βE),=(E,En),lμ=(E,−En).(59.5)
能量守恒使每个光子的能量也等于E。由p⋅k=−E2+βE2c
及t=r+2p⋅k,立即得到
dt=2s(1−βc),du=2s(1+βc),dt+du=s.(59.6)
在有限s≥4m2处,0≤β<1且∣c∣≤1,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e2阶、
模方的e4阶;在固定非奇异运动学处,圈幅与树幅的干涉从e6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Aμν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=γ0M†γ0,实动量满足
a=a,乘积则反序。因此
γνNaγμAˉρσ=γμNaγν,=e2[γρdtNaγσ+γσduNbγρ]=Aσρ.(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,先取复共轭,再与原来的振幅相乘:
T∗∣T∣2=εkρ∗εlσ∗uˉ(p)Aσρv(q),=εkμεlνεkρ∗εlσ∗(vˉAμνu)(uˉAσρv).(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=s1∑us1(p)uˉs1(p)=−p+m,Q=s2∑vs2(q)vˉs2(q)=−q−m.(59.9)
Q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)
第一个自旋和连接ubuˉc,第二个连接vdvˉa,恰好把矩阵链首尾闭合。
对四种等概率初态取平均,结果为
41s1,s2∑∣T∣2=41εkμεlνεkρ∗εlσ∗Tr[AμνPAσρQ].(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^和传播方向的空间单位矢量z^,可写成
Pγμρ(k)t^2=λ=±∑ελμ(k)ελρ∗(k)=gμρ+t^μt^ρ−z^μz^ρ,=−1,ζ=t^⋅k,z^μ=k2+ζ2kμ+ζt^μ.(59.12)
在t^=(1,0)的坐标系中,ζ=−k0,分子正是(0,k);
故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^展开,投影中除度规外会出现含kμ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kμ的分量,振幅保持不变。规范变换δAμ=−∂μΓ
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±,则
Γ(x)δεμ∗=Γ+(k)eikx+Γ−(k)e−ikx,Γ−=Γ+∗,=−ikμΓ+,δεμ=+ikμΓ−.(59.13)
这里已把单个平面波的共同归一化吸收入Γ±。
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。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=εμ∗Mμ,kμMμ=0.(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。
令D(v)=v+m,并把去掉i的自由传播子记为S(v)。克利福德关系及外旋量方程给出
S(v)D(p)u(p)=v2+m2−v+m,D(v)S(v)=S(v)D(v)=1,=0,vˉ(q)D(−q)=0.(59.15)
这里仅需v=a,b,其分母已知非零。把第一条光子的偏振换成动量k,
两幅图分别出现S(a)k和kS(b)。由于k=p−a=b+q,
它们可各化成两个逆传播子的差:
S(a)kuvˉkS(b)kμvˉAμνu=S(a)[D(p)−D(a)]u=−u,=vˉ[D(b)−D(−q)]S(b)=vˉ,=e2[−vˉγνu+vˉγνu]=0.(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,相加后才抵消。
交换(k,μ)与(l,ν)使a,b及两图互换,因而同时得到
kμvˉAμνu=0,lνvˉAμνu=0.(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kμ或kρ的项由上面的关系消失,剩下的时间方向分量也因k2=0而消失:
Pγμρ=gμρ+t^μt^ρ−k2+ζ2kμkρ+ζ(kμt^ρ+t^μkρ)+ζ2t^μt^ρ⟶gμρ+(1−k2+ζ2ζ2)t^μt^ρ k2=0 gμρ.(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):=⟨∣T∣2⟩≡41s1,s2∑λ1′,λ2′∑∣T∣2=41Tr[AμνPAνμQ].(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Aμν含t、u两项,它与共轭矩阵相乘便给四个贡献。
仍用P,Q,Na,Nb表示前面定义的矩阵,把初态平均的1/4计入各核,并按
两条内线的组合分别记为
⟨Φtt⟩⟨Φuu⟩⟨Φtu⟩⟨Φut⟩=41Tr[γνNaγμPγμNaγνQ],=41Tr[γμNbγνPγνNbγμQ],=41Tr[γνNaγμPγνNbγμQ],=41Tr[γμNbγνPγμNaγνQ].(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[dt2⟨Φtt⟩+dtdu⟨Φtu⟩+⟨Φut⟩+du2⟨Φuu⟩].(59.21)
交换两光子使a↔b、t↔u,并使矩阵中的
μ↔ν。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tt与tu,但两者的缩并次序不同:tt在P两边有一对
同指标gamma,tu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
γμγμγμvwγμTr1=−4,=4v⋅w,=4,γμvγμγμvwzγμTr(vw)=2v,=2zwv,=−4v⋅w.(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=2r−2p⋅q,
t=r+2p⋅k,可得四组关系
p⋅qp⋅k=q⋅l=r−2s,=2t−r,k⋅lp⋅l=q⋅k=−2s,=2u−r.(59.23)
第一行来自s的两种写法,第二行来自t,u各自的两种写法,
只需分别使用p2=q2=−r与k2=l2=0。
据此再列出内部动量将要用到的积:
a2p⋅ap⋅ba⋅b=−t,b2=−u,=−r−p⋅k=−2t+r,=−2u+r,=p2−p⋅(k+l)+k⋅l=−r−2t+u−2r−2s=−r.q⋅aq⋅b=q⋅p−q⋅k=2t+r,=2u+r,(59.24)
q⋅a一式的最后一步及最后一行用了s+t+u=2r;
换成b时只交换t,u。这些关系将所有迹的结果化为s,t,u,m。
先计算tt。紧邻P的夹乘为
γμPγμ=−2(p+2m)。
因此剩下的工作是先把X=Na(p+2m)Na化为单位矩阵和一个gamma的线性组合。
把两个Na展开,有
X===apa+2ma2−m(ap+pa)−4ra+rp+2m3(a2+r)p−2(a⋅p+2r)a+2m(a⋅p−a2+r)(r−t)p+(t−3r)a+m(t+r).(59.25)
第二行用了a2=−a2以及
ap+pa=−2a⋅p。
三gamma项也可先交换前两个因子,得到
apa=−pa2−2(a⋅p)a=a2p−2(a⋅p)a。
再代入式(59.24),便是最后一行。
现在只剩X外面的另一对gamma。一个gamma的夹乘给2,单位矩阵的夹乘给−4,
于是
⟨Φtt⟩γνXγνTr(pQ)⟨Φtt⟩=−21Tr[γνXγνQ],=2(r−t)p+2(t−3r)a−4m(t+r),=4p⋅q,Tr(aQ)=4a⋅q,TrQ=−4m,=−4[(r−t)p⋅q+(t−3r)a⋅q+2r(t+r)].(59.26)
将两个标量积代入,再按s+t+u=2r消去s,便得到
⟨Φtt⟩=−4[(r−t)(r−2s)+2(t−3r)(t+r)+2r(t+r)]=2[(r−t)s−t2−3r2]=2[tu−r(3t+u)−r2].(59.27)
中间一行保留s,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tu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Lμ:
Lμ⟨Φtu⟩=γνNaγμPγν=γν[aγμp−maγμ−mγμp+rγμ]γν=2pγμa−4m(aμ+pμ)+2rγμ,=41Tr[LμNbγμQ].(59.28)
三gamma夹乘反转次序,所以第一项变为2pγμa;
两个二gamma夹乘分别给4aμ、4pμ。
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=−b+m展开,它成为
γμaNbγμ=−4a⋅b+2ma,故
T1=21Tr[pγμaNbγμQ]=−2(a⋅b)Tr(pQ)+mTr(paQ)=−8(a⋅b)(p⋅q)+4r(p⋅a).(59.29)
最后一步中,paQ的三gamma部分迹为零,
质量项则为−mTr(pa)=4mp⋅a。
第二项的aμ+pμ直接与γμ缩并,形成h,
其中h=a+p。乘开两个质量项后,只有两个二gamma迹留下:
T2=−mTr[(−b+m)h(−q−m)]=−mTr[bhq+mbh−mhq−rh]=−m[−4mb⋅h+4mh⋅q]=4r[b⋅(a+p)−q⋅(a+p)].(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=−2b−4m,得到
T3=2rTr[γμNbγμQ]=2rTr[(−2b−4m)(−q−m)]=2r[−8b⋅q+16r]=−4rb⋅q+8r2.(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
a⋅b=−r、p⋅q=r−s/2以及式(59.24),便有
⟨Φtu⟩===−8(a⋅b)(p⋅q)+4r[p⋅a+a⋅b+p⋅b−q⋅a−p⋅q−q⋅b]+8r28r(r−2s)+4r(23s−6r)+8r22r(s−4r).(59.32)
第二行方括号内的化简也可直接分组:
p⋅a−q⋅a=−(t+r),
p⋅b−q⋅b=−(u+r),
a⋅b−p⋅q=s/2−2r;
总和为s/2−t−u−4r=3s/2−6r。
最后交换两光子,即将t,u互换,另外两个核便为
⟨Φuu⟩⟨Φut⟩=2[tu−r(3u+t)−r2],=2r(s−4r)=⟨Φtu⟩.(59.33)
tt与uu交换了t,u的系数,干涉项只依赖s,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=r−dt、u=r−du将各核改写为
⟨Φtt⟩⟨Φuu⟩⟨Φtu⟩+⟨Φut⟩=2dtdu+4rdt−8r2,=2dtdu+4rdu−8r2,=4r(dt+du)−16r2.(59.34)
例如第一行的t,u乘积给
2(r2−rdt−rdu+dtdu),线性质量项给
−2r(4r−3dt−du),再减2r2,便得到所列结果。
把三行分别除以dt2,du2,dtdu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[dudt+dtdu+4r(dt1+du1)−4r2(dt1+du1)2].(59.35)
这个表达式显然在t,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)给
dudt+dtdudt1+du1=1−β2c22(1+β2c2),=s(1−β2c2)4,s4r=1−β2.(59.36)
记Dc=1−β2c2,后两个质量项合起来为
4(1−β2)/Dc−4(1−β2)2/Dc2=4β2(1−β2)(1−c2)/Dc2。
于是完整树级结果也可写成
A=4e4[1−β2c21+β2c2+(1−β2c2)22β2(1−β2)(1−c2)].(59.37)
在物理区域内两项均非负,且c→−c对应交换两个相同光子。
阈值附近β→0,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
A⟶4e4,⟨Φtu⟩=⟨Φut⟩⟶0.(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;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!,得到补充的截面关系
dΩdσeventfull sphereσeventβ→0=2!164π2sAβ1,32πm2βe4=2m2βπαem2.(59.39)
最后一式用了角积分4π、s→4m2和e2=4παem。
也可以只积分一个不重复的光子半球,此时不写1/2!。
阈值处截面的1/β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展开。
另一个有用极限是s≫m2。在c固定且远离±1时,
1−β2c2保持非零,所有显式质量修正都按m2/s减小,故
A=2e4(tu+ut)+O(e4m2/s)=4e41−c21+c2+O(e4m2/s).(59.40)
误差估计在任意固定的闭角区间∣c∣≤1−δ、δ>0上成立。
若同时接近前向,1−βc中的1−β≃2m2/s
会与1−c≃θ2/2竞争;当θ2降到m2/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
用p,k表示入射电子和光子的动量,用p′,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)p2=p′2ss+t+u⟶e−(p′)+γ(k′),=−m2,=−(p+k)2,=2m2.p+kk2=k′2t=p′+k′,=0,=−(p−p′)2,u=−(p−k′)2,(59.41)
为区分两个过程,暂将湮灭的不变量记成sa,ta,ua。
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
p1↦p,p2↦−p′,k1′↦−k,k2′↦k′.(59.42)
原来的守恒式p1+p2=k1′+k2′由此变成p−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)2ta=−(p1−k1′)2ua=−(p1−k2′)2⟼−(p−p′)2=t,⟼−(p+k)2=s,⟼−(p−k′)2=u.(59.43)
可见s,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+k和p−k′。记r=m2,直接沿
第58节的费曼规则读这两幅图,就得到
TCBμν=εμ∗(k)εν(k′)uˉ(p′)Bμνu(p),=e2[γνr−s−p−k+mγμ+γμr−u−p+k′+mγν].(59.44)
第一条光子现在入射,依本书的模式展开带ε∗(k);出光子仍带
ε(k′)。矩阵B就是前面的A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,康普顿结果记为
C,并把求和、平均的对象明确写出:
AC=41s1,s2∑λ1,λ2∑∣Tann∣2,=41s,λ∑s′,λ′∑∣TC∣2.(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)=1/4,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=−p2−m,经过交叉后
Q2p2=−p′P′=p′−m=−P′,=s′∑us′(p′)uˉs′(p′)=−p′+m,P=−p+m.(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=γ0B†γ0记狄拉克共轭,有
C(s,t,u)A(sa,ta,ua)crossing=41gμρgνσTr(BμνPBˉρσP′),=41gμρgνσTr(BμνPBˉρσ[−P′])=−C(s,t,u).(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)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Q2↦−P′完全确定。
将前面合并后的结果,即式(59.35),
作sa↦t、ta↦s、ua↦u的代换,
得到完整的康普顿模方
C(s,t,u)ds=−A(t,s,u)=2e4[−duds−dsdu−4r(ds1+du1)+4r2(ds1+du1)2],=r−s,du=r−u.(59.48)
对未来向的有质量p及非零未来向光子动量,有p⋅k<0、
p⋅k′<0,所以ds=2p⋅k<0而du=−2p⋅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表示入、出光子的能量,
n,n′表示它们的方向:
pc=(m,0),=n⋅n′=cosθ,kp′=(ω,ωn),=p+k−k′,k′E′=(ω′,ω′n′),=m+ω−ω′.(59.49)
末态电子发生反冲。把p′=p+k−k′代入
它的外壳条件,利用p2=−m2及两个光子的零质量,得到
0=p′2+m2=2p⋅(k−k′)−2k⋅k′=−2m(ω−ω′)+2ωω′(1−c).(59.50)
将最后一式除以2mωω′,便有康普顿的能量关系
ω′1−ω1=m1−c,ω′=1+(ω/m)(1−c)ω.(59.51)
分母不小于1,故0<ω′≤ω;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E′−m。
在同一参考系,不变量和分母分别成为
sds=r+2mω,=−2mω,udu=r−2mω′,=2mω′.t=−2ωω′(1−c),(59.52)
因此式(59.48)中的两个组合可直接化为
duds+dsduds1+du1=−ω′ω−ωω′,=2m1(ω′1−ω1)=2r1−c.(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(1−c)+(1−c)2=c2−1,结果为
C=2e4[ω′ω+ωω′−2(1−c)+(1−c)2]=2e4[ω′ω+ωω′−sin2θ].(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
与其倒数之和不小于2,方括号至少为1+c2,结果的非负性现在已经显出。
进一步令x=ω/m,用式(59.51)可把低能
修正也完整留下:
ω′ω+ωω′C=2+1+x(1−c)x2(1−c)2,=2e4[1+c2+1+x(1−c)x2(1−c)2]=2e4(1+c2)+O(e4x2),x→0+.(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x2开始。
这个展开在全角范围−1≤c≤1一致成立,因为0≤x(1−c)≤2x。
若要得到实际角分布,还须把末态相空间随ω′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=∣p⋅k∣=mω。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dΩ,有
dσdΦ2=4mωCdΦ2,=(2π)4δ4(p+k−p′−k′)(2π)32E′d3p′(2π)32ω′d3k′.(59.56)
先用三维动量δ积分掉p′,令剩余光子径向变量为w>0。
这时p′=ωn−wn′,故电子能量以及
能量δ的宗量是
E′(w)f(w)dΩdΦ2=m2+ω2+w2−2ωwc,=m+ω−w−E′(w),=16π21∫0∞dwE′(w)wδ(f(w)).(59.57)
系数来自(2π)4/(2π)6与两条测度的1/4;d3k′=w2dwdΩ
再与光子测度中的1/w相约,只留下一个w。因m>0,有
E′(w)>∣w−ωc∣,所以f严格递减,它的正根就是
式(59.51)给出的w=ω′。根处的雅可比为
f′(w)∣f′(ω′)∣δ(f(w))=−1−E′(w)w−ωc<0,=E′E′+ω′−ωc=E′m+ω(1−c),=m+ω(1−c)E′δ(w−ω′).(59.58)
第二行用了根处的能量守恒E′+ω′=m+ω。把这个因子代回径向
积分,并再次使用m+ω(1−c)=mω/ω′,得到
dΩdΦ2=16π21m+ω(1−c)ω′=16π2mωω′2.(59.59)
现在通量与相空间的来源都已明确。用αem=e2/(4π)>0,
最终得到克莱因–仁科微分截面
dΩdσ=64π2m2C(ωω′)2=2m2αem2(ωω′)2[ω′ω+ωω′−sin2θ].(59.60)
截面的质量维数为−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/m的一阶就感受到反冲,尽管模方本身的一阶项已相消:
dΩdσ=2m2αem2(1+c2)[1−2x(1−c)+O(x2)],x→0+.(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2π,余下的多项式积分给出有限总截面
σTh=2m2αem22π∫−11dc(1+c2)=2m2αem22π(2+32)=3m28παem2.(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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