系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
上一节求出的F2(0)=α/(2π)+O(α2)会改变电子在弱磁场中的能量。求出能量对磁场的一次响应,就能把这个顶角系数转化为磁矩。计算中既要保留顶角的新泡利项,也要保留原来最小耦合的贡献。后者虽然没有显式写出自旋矩阵,却会通过动量旋量的变化产生磁矩。
从形状因子写出磁场耦合
沿用q=p′−p及本书的(−+++)度规,上一节的在壳顶角为
uˉ′Vμ(p′,p)u=euˉ′[F1(q2)γμ−miF2(q2)Sμνqν]u,Sμν=4i[γμ,γν].(64.1)
我们关心的是匀强磁场的响应,所需转移动量趋于零。因此这里只用到
F1(0)=1,F2(0)=2πα+O(α2),α=4πe2.(64.2)
第一式是物理电荷的归一条件,第二式才是圈计算给出的结果。为把这两个系数用于经典外场,可像第21节那样,用量子作用量的相应项来表示完整顶角。在含一对电子场和一个外光子的部分,选择
Γint(1A)=∫d4x[eF1(0)ΨˉγμAμΨ+2meF2(0)FμνΨˉSμνΨ]+高阶转移项.(64.3)
这是在壳矩阵元的低转移匹配,乘外电子运动方程后消失的项不影响它。第63节先保持正的红外调节质量,使转移展开可以在零点进行。磁矩所需的系数由F1(0)和有限的F2(0)给出,求出后再去掉调节质量。
第二项的系数可直接核对。对入射光子的一个平面波分量,取
Aμ=εμ∗eiqx,于是
Fμν2meF2(0)FμνSμν=i(qμεν∗−qνεμ∗)eiqx,=mieF2(0)qμSμνεν∗eiqx=−mieF2(0)Sμνqνεμ∗eiqx.(64.4)
第一步用Sμν=−Sνμ把两项合并,消去1/2;第二步交换哑指标,再使用反对称性,得到顶角中的负号。作用量在振幅中还要乘i,所以从这里读取的是Vμ,相应顶角因子仍为iVμ。
现在取沿第三轴的匀强磁场,选择规范势
A0=0,A=(0,Bx,0),F12=−F21=B,A2(q)=iB(2π)4δ(q0)∂q1δ3(q),F12(q)=B(2π)4δ(q0)δ3(q),q2A2(q)=0.(64.5)
这里x=x1,傅里叶变换采用Aμ(x)=∫d4qeiqxAμ(q)/(2π)4。把x变成对q1的导数便得到第二行,再用q1∂q1δ3=−δ3得到场强的第三行。q2乘这个δ函数导数时,其零点值和一次导数都为零,故乘积为零;固定调节下含额外q2的形状因子项因此不贡献匀强磁场响应。同时FμνSμν=2BS12,其它场强分量均不参与。
归一化波包与磁矩的定义
为了得到有限范数的静止电子态,先按第38节不附加转动的推动约定选定s=+的旋量,再把动量集中在p=0附近。记
∣e⟩dp{b+(p′),b+†(p)}⟨e∣e⟩=∫dpf(p)b+†(p)∣0⟩,=(2π)32ωpd3p,ωp=m2+p2,=(2π)32ωpδ3(p′−p),=∫dp′dpf∗(p′)f(p)(2π)32ωpδ3(p′−p)=∫dp∣f(p)∣2=1.(64.6)
δ函数消去一个动量积分时,其2ω恰好与该积分的测度相消。选择径向函数f(p)=f(∣p∣),轨道生成元−ip×∇p作用于包函数便为零;沿第三轴的角动量由所选自旋给出。
具体选择高斯波包。把归一常数记为Na,有
fa(p)Na−2mΔp=Nae−a2p2/2,=∫(2π)32ωpd3pe−a2p2=(2π)32ma3π3/2[1−4a2m23+O((am)−4)],∼am1≪1,am≫1.(64.7)
这个展开用1/ω=m−1[1−p2/(2m2)+⋯],再用
∫d3pe−a2p2=π3/2/a3及其对a2的导数。对x≥0,泰勒余项满足0≤(1+x)−1/2−1+x/2≤3x2/8;取x=p2/m2后由下一高斯矩控制误差,因而大动量尾部不妨碍所写渐近阶次。
动量分布的宽度与a成反比,因此窄动量包要求a≫1/m。
静磁场的两项耦合都不含新的费米场时间导数,所以线性相互作用哈密顿量由−Lint得到:
H1=−eB∫d3xΨˉ[xγ2+mF2(0)S12]Ψ.(64.8)
令δE表示相对于真空的单电子能移。磁矩就是这个能移对磁场的一次响应:
δE=⟨e∣H1∣e⟩=−μzB,μz=−∂B∂δEB=0.(64.9)
我们先对固定有限a的波包取这个导数,再取am→∞的静止极限。若把B看作小而有限的数,∣eB∣a2≪1是一组足够的弱场条件:在波包尺度上,磁场改变的动量∣eB∣a小于原来的动量宽度1/a。计算只保留关于B的一次项、非相对论展开的首项,以及形状因子的一圈修正。
空间坐标怎样变为旋量的动量导数
下面在t=0计算这个期望值。将自由场的平面波展开用于有效哈密顿量的树级矩阵元;圈修正已经包含在F2中。取相对于真空正规序的局部双线性,电子的两个外算符分别与其中的b†,b相配,得到
⟨0∣b+(p′):Ψˉα(x)Ψβ(x):b+†(p)∣0⟩=uˉ+(p′)αu+(p)βei(p−p′)x.(64.10)
每次收缩都给(2π)32ωδ3,与相应场展开的测度相消,所以右边没有额外的2ω。电子部分的算符次序是b(p′)b†(k′)b(k)b†(p),两次收缩均取正号。正规序去掉真空收缩,留下这个连通单粒子矩阵元。
用两个包函数组合平面波态,就有
δE=−eB∫dpdp′d3xei(p−p′)⋅xf∗(p′)uˉ+(p′)×[xγ2+mF2(0)S12]u+(p)f(p).(64.11)
泡利项不显含坐标,空间积分直接给δ函数。最小耦合项多一个x,可先写成动量导数:
xei(p−p′)⋅x=−i∂p1ei(p−p′)⋅x.(64.12)
这个形式使用t=0;在一般时间,四维相位中的ωpt也参与求导。选定零时刻的波包使所需的静磁响应计算最为直接。
分部积分时,导数不仅作用于u+f,还要作用于dp中的1/(2ω)。将p积分暂时写为普通勒贝格测度,便有
∂p1(2ωu+f)−i∫(2π)3d3p2ωu+f∂p1ei(p−p′)⋅x=i∫(2π)3d3pei(p−p′)⋅x∂p1(2ωu+f),=2ω1(∂p1−ω2p1)(u+f).(64.13)
高斯衰减使无穷远表面项为零。最后一行用了∂p1ω=p1/ω,因而∂p1ln(1/2ω)=−p1/ω2。
接着做空间积分,再用(2π)3δ3(p−p′)消去p′。这一次δ函数来自傅里叶积分,前面没有收缩产生的2ω′,所以p′测度中的1/(2ω′)会留下来。完整的一动量式为
δE=−eB∫2ωdpf∗uˉ+[iγ2(∂p1−ω2p1)+mF2(0)S12](u+f).(64.14)
其中的测度导数项来自协变归一。对本节的径向波包,该项的积分恰好为零。利用uˉ+γ2u+=2p2,两个不对旋量求导的贡献分别正比于
∫2ωdp2ip2f∗∂p1f∫2ωdp(−ω22ip1p2)∣f∣2=0,=0.(64.15)
径向f的导数带p1,其余系数只依赖p2;两行在反射p1→−p1或p2→−p2时都变号。因此余下的最小耦合贡献来自∂p1u+,这正是自旋磁矩从狄拉克耦合中出现的位置。
静止旋量的变化给出狄拉克磁矩
第38节已用不附加转动的推动构造了动量旋量。现在只需这个推动在原点的一阶展开:
us(p)Kjηp^jus(p)=exp(iηp^⋅K)us(0),=Sj0=2iγjγ0,η=arsinh(∣p∣/m),=mpj+O(∣p∣3/m3),=[1+mipjKj+O(p2/m2)]us(0).(64.16)
虽然p^在原点没有确定方向,乘积ηp^在原点却有平滑的一阶展开,因而动量导数存在。对p1求导,并用静止正能旋量的γ0us(0)=us(0),得到
∂p1u+(p)∣p=0=miK1u+(0)=−2m1γ1γ0u+(0)=−2m1γ1u+(0).(64.17)
代入最小耦合项,两个空间伽马的反对易关系给
uˉ+iγ2∂p1u+p=0=−2miuˉ+(0)γ2γ1u+(0)=2miuˉ+(0)γ1γ2u+(0)=m1uˉ+(0)S12u+(0).(64.18)
所以狄拉克项与泡利项现在具有相同的自旋矩阵结构。前者的系数为1,后者的系数为F2(0);它们会相加。
对径向窄包,线性于p的修正角积分为零,首个相对修正为⟨p2⟩/m2=O((am)−2)。同时,
∫2ωdp∣fa∣2δE=2m1[1+O((am)−2)],=−2m2eB[1+F2(0)]uˉ+(0)S12u+(0)+O(m(am)2∣eB∣).(64.19)
第一行保留原有的相对论归一∫dp∣fa∣2=1,只对额外留下的1/(2ω)作展开。这个额外因子使第二行的分母成为2m2;该行按静止近似理解。
最后使用自旋本征值和旋量范数,
S12u±(0)uˉ+(0)S12u+(0)δE=±21u±(0),uˉ±(0)u±(0)=2m,=m,=−2meB[1+2πα+O(α2)+O((am)−2)].(64.20)
依磁矩定义,并取静止极限,便得
μgae:=2g−2=g2meS,μz=g2me21,=2[1+F2(0)]=2[1+2πα+O(α2)],=F2(0).(64.21)
这里ae称反常磁矩的无量纲系数,区别于波包的长度a。最小狄拉克耦合给g=2,一圈泡利项给第一个偏离2的修正。由于e<0,自旋向上态的μz为负,磁矩与自旋反向;沿正第三轴加磁场时,该态的能量升高。这里的e/(2m)带电荷符号;用作正单位的玻尔磁子大小为μB=∣e∣/(2m)。
还可用经典带电旋转小球来比较这个结果。若电荷密度和质量密度处处成同一比例ρe=(e/m)ρm,并且两者具有同一个速度场v,则
μcl=21∫d3xr×(ρev)=2me∫d3xr×(ρmv)=2meL.(64.22)
经典轨道运动的系数因而对应gL=1。电子自旋的狄拉克值是它的两倍,这个差别由式(64.18)的旋量计算得出。下文给波包加上球谐角向依赖,直接从同一个哈密顿量求出轨道磁矩与自旋磁矩的和。
有限宽度波包的静止极限
还可以在式(64.8)所取的两项中保留全部波包动量,检查前面的非相对论近似怎样成立。为方便写分量,暂把第38节的外尔矩阵作一个常数酉变换:
T=21(I2−I2I2I2),uD=TuW,γDμ=TγWμT†.(64.23)
于是γD0=diag(I2,−I2),
γDi=(0−σiσi0)。
这是同一克利福德代数的另一组矩阵;所有双线性都保持原值,以下略去下标D。
对χ=(1,0)T,式(64.16)的完整推动可写为
u+(p)=ω+m(χω+mσ⋅pχ),S12=21(σ300σ3).(64.24)
这由cosh(η/2)=(ω+m)/(2m)和
sinh(η/2)=∣p∣/2m(ω+m)代入推动矩阵得到。泡利项的双线性为
uˉ+S12u+=2ω+m[1−(ω+m)2χ†(σ⋅p)σ3(σ⋅p)χ]=2ω+m−2(ω+m)2p32−p2=ω−ω+mp32.(64.25)
第二行用(σ⋅p)σ3(σ⋅p)=2p3(σ⋅p)−p2σ3,
并代入χ†σχ=(0,0,1)。
最小耦合项中的导数也可直接求出。记n=ω+m、
R=σ⋅p/(ω+m),则
∂1n=p1/(2ωn),
∂1R=σ1/(ω+m)−p1σ⋅p/[ω(ω+m)2]。
按上下两个块相乘,有
uˉ+iγ2∂p1u+=n(∂1n)χ†(iσ2R+Riσ2)χ+n2χ†iσ2(∂1R)χ=ω(ω+m)ip1p2+1−ω(ω+m)p1(p1+ip2)=1−ω(ω+m)p12.(64.26)
这里{σ2,σ⋅p}=2p2I、
χ†iσ2σ1χ=1,
而χ†iσ2(σ⋅p)χ=p1+ip2。
虚部在两种导数之间消去,静止点的值正好为1。
定义径向包的平均⟨h(ω)⟩f=∫dp∣f∣2h(ω)。
对球面作角平均时p12、p32均变成p2/3,
再用p2/(ω+m)=ω−m。式(64.14)于是给
μz(f)=2me[⟨3ω2m(2ω+m)⟩f+F2(0)⟨3ω2ω+m⟩f].(64.27)
两个平均在静止极限都趋于1。展开ω/m=1+p2/m2,得到
e/(2m)μz(f)m2⟨p2⟩fae/(2m)μz(fa)=1+F2(0)−[32+6F2(0)]m2⟨p2⟩f+O(⟨p4⟩f/m4),=2(am)23+O((am)−4),=1+F2(0)−(am)21+F2(0)/4+O((am)−4).(64.28)
最后两行在同一个相对论归一中取高斯平均,故归一常数的修正也已经包含。这个例子把式(64.19)的误差阶具体算出;先前抽取的静止磁矩与波包长度无关。
顶角计算给出了自旋能级劈裂的量子修正。实验从磁场中的能级差测定同一个g因子,便可检验F2(0)的圈展开。
球谐波包的轨道磁矩
前面选择没有轨道角动量的径向波包,
用来分离电子自旋的磁矩;现在给同一波包乘上球谐函数,
考察由角向相位产生的额外响应。质量仍记为m,
球谐函数的磁量子数改记为mℓ,避免两个m混用。
球谐波包的归一
取静止自旋标签s=+的单电子态,并以任意动量的无转动推动旋量构造波包。记
Ep=m2+p2,则
∣Φ⟩dp⟨p′,s′∣p,s⟩1=∫dpf(p)b+†(p)∣0⟩,=(2π)32Epd3p,=(2π)32Epδ3(p′−p)δs′s,=∫dp∣f(p)∣2.(64.29)
态内积中的δ函数消去一重动量积分,正好给出最后的归一条件。
这个波包和球谐函数的归一取为
f(p)=Ne−a2r2/2Yℓmℓ(θ,ϕ),r=∣p∣,∫dΩ∣Yℓmℓ∣2=1.(64.30)
这里ℓ为非负整数,−ℓ≤mℓ≤ℓ。
径向分布的动量宽度为1/a,所以前面要求的窄动量包应满足
am≫1,并以δ=(am)−1作为非相对论展开参数。
角积分已经归一,故N由一个径向积分固定:
∣N∣−2=(2π)31∫0∞2m2+r2r2e−a2r2dr.(64.31)
这个式子保留完整的协变测度。为把它评价到这次计算所需的精度,
对∫0∞e−a2r2dr=π/(2a)按a2求导,
得到下面两个高斯矩;再展开1/Ep:
∫0∞r2e−a2r2dr∫0∞2Epr2e−a2r2dr∣N∣2=4a3π,=8ma3π[1−43δ2+O(δ4)],=π8ma3(2π)3[1+43δ2+O(δ4)].∫0∞r4e−a2r2dr=8a53π,(64.32)
于是f的质量维数为−1,与dp的维数2相配。
下面先保持式(64.31)的精确归一,
最后才对磁矩作非相对论展开。
绕z轴旋转时,动量测度中的Ep不变。
将f(Rz−1p)对旋转角展开,便得到作用在标量包络上的
轨道角动量算符
Lz=−i(p1∂p2−p2∂p1)=−i∂ϕ,Lzf=mℓf,⟨Lz⟩=mℓ.(64.33)
径向测度不随ϕ变化,所以这里的Lz与通常的平直动量测度有同一形式。
最后一个等式使用了波包归一。
包络角向导数的贡献
选择A2=Bx、其余分量为零。只取能量对B的一次响应,
并以相同真空的能量为基准,含泡利形状因子的相互作用哈密顿量为
H1ΔE=−eB∫d3xΨˉ[xγ2+mF2(0)S12]Ψ,=⟨H1⟩,μz=−BΔE.(64.34)
这里F1(0)=1已经固定电荷归一,e<0。
按前面使用单电子连通矩阵元,选t=0作为波包的参考时刻,
xγ2项给出
ΔEmin=−eB∫dpdp′d3xei(p−p′)⋅x×f∗(p′)uˉ+(p′)xγ2u+(p)f(p).(64.35)
在这个积分中,包络的角向依赖将产生新的贡献。
用xei(p−p′)⋅x=−i∂p1ei(p−p′)⋅x分部积分时,
导数也必须作用在dp的1/(2Ep)上。
若将这个权重记为w(p)=1/[(2π)32Ep],
则完整的导数为
∂p1logwD1(uf)=−Ep2p1,:=w−1∂p1(wuf)=∂p1(uf)−Ep2p1uf.(64.36)
分部积分给出的系数是+iD1。随后空间积分产生
(2π)3δ3(p′−p),而对dp′积分还留下
1/(2Ep),所以含泡利项的完整结果为
ΔE=−eB∫2Epdpf∗uˉ+[iγ2D1(u+f)+mF2(0)S12u+f].(64.37)
这里的D1只作用在括号内的u+f上。
下面将分别计算旋量导数、包络导数和测度导数,说明最后一项在这个波包中的积分为何恰好为零。
高斯因子使无穷远的表面项消失。对于ℓ>0,
Yℓmℓ(p)在p=0可能没有方向无关的极限,
但这不妨碍上述一次分部积分:先挖去半径η的小球,
其表面项因f,u+,w有界而为O(η2);角向导数至多为O(1/r),
在三维中局部可积,且
∫r<ηd3p∣∇f∣2=O(η)。
令η→0,便得到同一弱导数公式。单点处给f选择什么值不影响积分。
将D1(u+f)拆成旋量导数和包络导数。后者连同测度导数定义这次计算的轨道贡献。
使用同动量旋量恒等式uˉ+γ2u+=2p2,得到
ΔEorb=−eB∫dpEpip2f∗∂p1f+ieB∫dpEp3p1p2∣f∣2.(64.38)
对这个球谐函数,∣Yℓmℓ∣2与方位角ϕ无关。
第二行的p1p2=r2sin2θcosϕsinϕ在ϕ上积分为零;
测度导数项在方位角积分后消失。
朗道规范中的轨道磁矩
剩下的第一行表面上只含p2∂p1,并非完整的Lz。
这个差别来自A2=Bx所选的朗道规范。写
Yℓmℓ=Θℓmℓ(θ)eimℓϕ,
其中Θℓmℓ可取实函数,动量导数为
∂p1=sinθcosϕ∂r+rcosθcosϕ∂θ−rsinθsinϕ∂ϕ.(64.39)
前两项乘上ip2f∗后均带sinϕcosϕ,方位角积分为零。
最后一项作用在eimℓϕ上,给
ip2[−imℓsinϕ/(rsinθ)]∣f∣2=mℓsin2ϕ∣f∣2。
因sin2ϕ的方位角平均为1/2,便有
∫dpEpip2f∗∂p1f=2mℓ∫dpEp∣f∣2=21⟨EpLz⟩.(64.40)
这就是所需的二分之一。若改用对称规范
A=(−By/2,Bx/2,0),两项分别给
ip2∂p1与−ip1∂p2,在哈密顿量中直接合成Lz/2;
这次计算的轴对称波包使两种写法的能量期望一致。
于是轨道磁矩在尚未作窄包展开时为
ΔEorbμorb,z=−2eBmℓ⟨Ep−1⟩,=2emℓ⟨Ep−1⟩.(64.41)
这里的轨道部分是相对于本书固定静止自旋基的包络角动量而言;
旋量随动量变化所给的部分仍保留在式
(64.37)中。
归一常数在这个径向期望中抵消,因而可直接评价为
⟨Ep−1⟩=∫0∞2m2+r2r2e−a2r2dr∫0∞2(m2+r2)r2e−a2r2dr=m11−43δ2+O(δ4)1−23δ2+O(δ4)=m1[1−43δ2+O(δ4)].(64.42)
分子使用1/E2=m−2(1−r2/m2+⋯),
分母已在式(64.32)中评价。
泰勒余项在x≥0时满足
0≤(1+x)−1/2−1+x/2≤3x2/8及
0≤(1+x)−1−1+x≤x2。
令x=r2/m2,下一阶高斯矩便控制了上式的O(δ4)误差。
这里保持ℓ,mℓ固定,归一角积分不随a改变。
最终得到
μorb,zμorb=2memℓ[1−4(am)23+O((am)−4)],=2me⟨L⟩在非相对论主阶.(64.43)
球谐态有⟨Lx⟩=⟨Ly⟩=0,
所以第二行在这次计算中只含z分量。
当mℓ=0时,轨道项已由式(64.41)精确为零。
由于e<0,正的轨道角动量投影对应负的磁矩投影,
其能量在B>0时增加。
最后把轨道结果与前面的自旋部分放在一起。
在p=0处,本书固定相位的旋量满足
∂p1u+(p)∣0uˉ+iγ2∂p1u+0uˉ+(0)S12u+(0)=−2m1γ1u+(0),=m1uˉ+(0)S12u+(0)=1,=m.(64.44)
第二行由S12u+(0)=u+(0)/2和uˉ+(0)u+(0)=2m得到。
因此式(64.37)中的旋量导数与泡利项,
在非相对论主阶分别给e/(2m)与eF2(0)/(2m)。
归一角密度不改变这两个静止值,故
μz=2me[mℓ+1+F2(0)]+O(m∣e∣(am)−2)=2me[mℓ+1+2πα+O(α2)]+O(m∣e∣(am)−2).(64.45)
此处宽度误差按固定ℓ,mℓ计,自旋部分尚未展开到该阶;
式(64.43)中额外给出的宽度修正只属于轨道项。
用角动量系数表示,轨道因子为gL=1,而自旋因子为
gs=2[1+F2(0)]、⟨Sz⟩=1/2。
轨道响应的主阶系数由物理电荷归一F1(0)=1固定,
反常磁矩则出现在自旋的系数中。
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