系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
第61节已经建立标量电动力学的树级规则。现在让虚粒子在图中形成闭圈,求它们对传播子和顶角的修正。与第62节不同,这一次主要关心紫外发散的系数:在MS方案中,它们确定重整化因子,并为判断耦合随能标怎样变化提供依据。有限的散射振幅需要保留完整外动量;提取局部发散时,却可以选择使计算显著简化的动量和规范。
拉氏量、顶角和减除约定
考虑保持洛伦兹与局域U(1)对称性的复标量理论,取质量项、四次势和协变动能,并加上麦克斯韦动能。这些项给出本节的可重整化模型。先将每种结构的系数分开记下,便于从不同的格林函数中确定它们。沿第61节的电荷及场约定,写成
LL0L1Lct=L0+L1,=−∂μφ†∂μφ−m2φ†φ−41FμνFμν,=−iZ1e[φ†∂μφ−(∂μφ†)φ]Aμ−Z4e2φ†φAμAμ−4Zλλ(φ†φ)2+Lct,=−(Z2−1)∂μφ†∂μφ−(Zm−1)m2φ†φ−4Z3−1FμνFμν.(65.1)
这里m2>0,在φ=A=0的对称真空附近作微扰,e<0、λ为实数。正的λ给出有下界的树级四次势。线性交叉项的负号由协变导数Dμ=∂μ−ieAμ确定。展开协变动能−(Dμφ)†Dμφ,有
−(Dμφ)†Dμφ=−∂μφ†∂μφ+ieAμ[(∂μφ†)φ−φ†∂μφ]−e2A2φ†φ.(65.2)
因此,导数作用于入射的eipx和出射的e−ip′x时,线性交叉项给出三点顶角ie(p+p′)μ。若交换φ与φ†,线性交叉项和粒子荷支同时反号;有限规范变换将给出两种写法对应的相位及同一个规范约束。
记δZi=Zi−1。本节用到的树顶角与二点反项为
iV3,treeμ(p′,p)iV4,treeμνiΠφ,ct(k2)iΠctμν(k)=ieZ1(p′+p)μ,=−2ie2Z4gμν,iV4φ,tree=−iZλλ,=−iδZ2k2−iδZmm2,=−iδZ3(k2gμν−kμkν).(65.3)
前两个电磁顶角的阶乘和动量号已在第61节逐一求出。四标量顶角中的2!2!抵消拉氏量的1/4。内线仍为相应传播核除以i,闭合的标量圈没有费米统计负号。光子反项保留μ,ν两个自由指标,其纵向张量为kμkν。
维数调节采用
d=4−ε,ed=eμε/2,λd=λμε,μ2=4πe−γEμ2,[φ]=[A]=2d−2,[ed]=2ε,[λd]=ε.(65.4)
以下∫ℓ表示ddℓ/(2π)d。三点函数提出一个公共με/2,两个四点函数提出με,所余圈积分统一带με。这种写法使显示的e,λ无量纲,又不会丢失外顶角的工程量纲。各Zi在圈内只需取1;在那里再插入δZi,便增加一阶圈修正。我们将保留一圈产生的e2,λ,e4,e2λ,λ2各项,并由它们所在的格林函数判断阶次。
标量圈与接触项怎样给出横向光子自能
光子二点函数有一个有向标量泡、一个接触顶角上的标量闭线,以及光子动能反项。图65a依次画出这三个贡献。
图65a:虚线箭头记录复标量的电荷方向,上、下内线的带符号动量为ℓ+k、ℓ;波线外动量均为k。中图的闭线是复标量,右图叉号为δZ3。
两条标量内线给(1/i)2,与两个ie相乘后为+e2。接触图只有一条标量内线,故(−2ie2)(1/i)=−2e2。于是
iΠμν(k)=e2με∫ℓ[(ℓ+k)2+m2](ℓ2+m2)(2ℓ+k)μ(2ℓ+k)ν−2e2gμνμε∫ℓℓ2+m21−iδZ3(k2gμν−kμkν).(65.5)
分母都继承−i0;在下面的欧氏参数计算中暂不重复写出。两个圈图单独都含表面的二次发散,因此先把它们合并,更容易看见质量型项如何消去。给第二项乘上缺少的分母,得到
iΠμν(k)Nμν=e2με∫ℓ[(ℓ+k)2+m2](ℓ2+m2)Nμν−iδZ3(k2gμν−kμkν),=(2ℓ+k)μ(2ℓ+k)ν−2[(ℓ+k)2+m2]gμν.(65.6)
用一个费曼参数合并分母,并作允许的圈动量平移:
AB1=∫01[xA+(1−x)B]2dx,A=(ℓ+k)2+m2,B=ℓ2+m2,q=ℓ+xk,D=m2+x(1−x)k2,xA+(1−x)B=q2+D,∫ℓABNμν=∫01dx∫q(q2+D)2Nμν.(65.7)
平移的雅可比行列式为1。先在威克转动后积分收敛的维数域中使用这些操作,再作解析延拓,正是第14、62节所用的维数调节方式。
将ℓ=q−xk代入分子。关于q的一次项在对称积分中为零,而qμqν在只依赖q2的分母下平均为gμνq2/d,所以
Nμν=[2q+(1−2x)k]μ[2q+(1−2x)k]ν−2[(q+(1−x)k)2+m2]gμν ⟶ 4qμqν+(1−2x)2kμkν−2[q2+(1−x)2k2+m2]gμν ⟶ 2(d2−1)q2gμν+(1−2x)2kμkν−2[(1−x)2k2+m2]gμν.(65.8)
箭头表示放入当前积分后的等价替换。特别是ε尚未取零,d不能在二次发散项前随意换成4。
接着复用第62节的径向分部积分。令Jn(D)=με∫q(q2+D)−n。总导数积分及q2=(q2+D)−D给
0με∫q(q2+D)2q2(d2−1)με∫q(q2+D)2q2=dJ1(D)−2με∫q(q2+D)2q2,=J1(D)−DJ2(D),=DJ2(D).(65.9)
因此,在式(65.8)的积分里,可将(2/d−1)q2换成D。代入D以后,显式的m2相消:
Nμν ⟶ 2Dgμν+(1−2x)2kμkν−2[(1−x)2k2+m2]gμν=(1−2x)2kμkν−2(1−2x)(1−x)k2gμν.(65.10)
还剩一个参数上的不对称写法。取x=y+1/2,有
−21Nμν≤y≤21,D=m2+(41−y2)k2,=4y2kμkν−2(2y2−y)k2gμν ⟶ −4y2(k2gμν−kμkν).(65.11)
D是y的偶函数,故最后一行删去的是2yk2gμν这一奇项。
经过这两次积分化简,光子自能成为
Πμν(k)Π(k2)=Π(k2)(k2gμν−kμkν),=−ie2∫01dx(1−2x)2J2(m2+x(1−x)k2)−δZ3.(65.12)
收缩kμ立即给零。标量接触顶角因而不仅改变图的数目,它还使二点函数具有规范对称性所要求的结构;没有留下可解释为光子质量的常数张量。
圈积分已在第62节求出。这里取n=2,并保留提取极部所需的两项:
J2(D)=(4π)d/2iμεΓ(2−d/2)Dd/2−2=16π2i[ε2−lnμ2D+O(ε)].(65.13)
这里Γ(ε/2)=2/ε−γE+O(ε),其常数项已经合入μ的定义。极点系数与D无关,剩余参数积分于是只是
∫01(1−2x)2dx=[x−2x2+34x3]01=31=4∫−1/21/2y2dy.(65.14)
所以
Π(k2)pole=−24π2εe2−δZ3,Z3=1−24π2εe2+更高圈项.(65.15)
对一个复标量,极点系数是第62节一个狄拉克场结果的四分之一。两者的电荷相同,差别来自各自的传播子分子和自由度;此处的1/3已由实际参数积分得到。
横向光子中的标量自能
接下来求标量二点函数。内部出现光子以后,规范的选择就能帮助我们化简分子。选取朗道规范的横向光子核:
Δμν(ℓ)=ℓ2−i0Pμν(ℓ),Pμν(ℓ)=gμν−ℓ2ℓμℓν,ℓμPμν=Pμνℓν=0,PμρPρν=Pμν,gμνPμν=d−1.(65.16)
这是第57节的横向核,也就是协变规范族中的ξ=0。收缩一只ℓ时,投影中的两项给ℓν−ℓ2ℓν/ℓ2=0;取迹则从d减去1。光锥上的表达式仍按该节的共同边界处方理解,下面在维数积分的欧氏表示中使用投影恒等式。
图65b:依次为标量—光子泡、光子蝌蚪、标量蝌蚪和二点反项。虚线沿外电荷方向,泡内标量带ℓ+k,光子带ℓ。光子蝌蚪的两条相同半线可以互换,权重为1/2。
先确定两个蝌蚪的计数。一次插入−e2φ†φAμAμ,两个标量各接一条外线,余下两个A只组成一个收缩。因此从完整接触顶角读取时,应有1/2。四标量插入的两个外端却各有两个可选的同类场,得到
光子蝌蚪顶角权重:标量蝌蚪顶角权重:21(−2ie2)=−ie2,(−4iλ)(2)(2)=−iλ.(65.17)
第一行的1/2来自两个相同光子端点的交换。光子蝌蚪在去掉调节质量后趋于零;在取这个极限以前,应保留该收缩权重。
泡图分子中的(ℓ+2k)μ(ℓ+2k)ν与Pμν缩并,只留下4Pμνkμkν。两个顶角和两条内线的相位仍给+e2。结合式(65.17),有
iΠφ(k2)=4e2με∫ℓℓ2[(ℓ+k)2+m2]Pμν(ℓ)kμkν−(d−1)e2J1(mγ2)−λJ1(m2)−iδZ2k2−iδZmm2.(65.18)
光子蝌蚪中临时加入正的mγ2。所有圈积分均使用d维测度,并带相应的με。
同一个维数积分公式取n=1便给
J1(M2)=(4π)d/2iμεΓ(1−d/2)(M2)d/2−1=16π2iM2[−ε2+lnμ2M2−1+O(ε)].(65.19)
负号来自Γ(−1+ε/2)=Γ(ε/2)/(−1+ε/2),与分母平方积分的正极点不同。对光子蝌蚪应先用第一行的完整表达式:
J1(mγ2)=(4π)2−ε/2iμεΓ(−1+ε/2)(mγ2)1−ε/2 ⟶ 0(mγ→0, 0<Reε<2).(65.20)
在这个固定维数域中,质量的幂为正,再将零结果作维数延拓。标量蝌蚪则保留m>0,给iλm2/(8π2ε)这一质量型极点。
现在评价泡图。把P中的ℓ2乘到分母中,便得到三个因子,其中两个相同:
ℓ2[(ℓ+k)2+m2]Pμν(ℓ)kμkνdF3q∫dF3h(x3)=(ℓ2)2[(ℓ+k)2+m2]ℓ2k2−(ℓ⋅k)2,=2dx1dx2dx3δ(x1+x2+x3−1),xi≥0,=ℓ+x3k,D=x3m2+x3(1−x3)k2,=2∫01dx3(1−x3)h(x3),∫dF3=1.(65.21)
因子2是三分母参数公式中的Γ(3);消去x2后,x1从0积到1−x3,才产生最后一行的权重。虽然两个分母相同,它们仍占据两个参数位置,不能少计这个权重。
分子在平移后有一个有用的精确相消:
N=(q−x3k)2k2−(q⋅k−x3k2)2=q2k2−2x3(q⋅k)k2+x32(k2)2−(q⋅k)2+2x3(q⋅k)k2−x32(k2)2=q2k2−(q⋅k)2 ⟶ (1−d1)q2k2.(65.22)
关于q的一次项在求角平均以前就已精确相消。剩下的积分可用q2=(q2+D)−D拆开:
με∫q(q2+D)3q2J3(D)J2(D)−DJ3(D)=J2(D)−DJ3(D),=32π2Di+O(ε),=16π2i[ε2−lnμ2D−21+O(ε)].(65.23)
第一项有极点,DJ3没有,因此本式与J2具有相同的极点系数。对空间样外动量,D在x3=0的一次零点只给可积的lnx3;提取这里的紫外系数不引入新的红外极点。
将三参数归一与d→4时的1−1/d=3/4相乘,泡图的极部为4e2(3/4)ik2/(8π2ε)。于是
iΠφ(k2)pole=i[(8π2ε3e2−δZ2)k2+(8π2ελ−δZm)m2].(65.24)
两个独立的局部结构分别给
Z2=1+8π2ε3e2+更高圈项,Zm=1+8π2ελ+更高圈项.(65.25)
Z2中的电磁项依赖这里的横向规范。Zm是拉氏量质量项的因子;把场重新归一以后,裸质量平方含的是Zm/Z2,所以本式并不意味着电磁相互作用不影响质量参数的运行。
用特殊外动量求三点顶角的极部
三点顶角的表面发散度为1。在一个圈图中,每条内线给两个分母幂,每个三价导数顶角至多给一个圈动量,故δ=4L−2I+V3。若把各类四价顶角的总数记为V4,则连通图满足L=I−V3−V4+1,线端计数给3V3+4V4=2I+E。先消去L,得到δ=4+2I−3V3−4V4,再用后一关系就得δ=4−E。对于两个标量和一个光子的局部反项,洛伦兹协变性只允许一次外动量。电荷共轭使Aμ反号而保持φ†φ,所以排除Aμ∂μ(φ†φ),留下的正是式(65.1)中的电流耦合。因此只要求出一个能测到其系数的动量配置,就能确定紫外反项。
取入射标量动量为零,入射光子和出射标量动量均为k。这是一组用于格林函数的离壳动量。内部光子的动量记ℓ。
图65c:四幅图依次是左接触顶角的混合泡、三个导数顶角的三角图、右接触顶角的混合泡,以及含四标量顶角的标量圈。第二、第三幅图的左端给ℓμPμν(ℓ)=0;第四幅的积分由参数交换为零。
第二、第三幅图的左端,外标量动量为零,三点顶角只给ieℓμ。它立即被内部光子的横向投影消去。余下第一幅的相位为
(ie)(−2ie2)(1/i)2=−2e3,第四幅为
(−iλ)(ie)(1/i)2=−eλ。因此
iV3μ(k,0)=ieZ1kμ−2e3με∫ℓℓ2[(ℓ+k)2+m2]Pμρ(ℓ)(ℓ+2k)ρ−eλμε∫ℓ(ℓ2+m2)[(ℓ+k)2+m2](2ℓ+k)μ.(65.26)
先看λ项。用与光子自能相同的参数和移位,积分化为
Bμ(k)=με∫01dx∫q[q2+m2+x(1−x)k2]22qμ+(1−2x)kμ=kμ∫01dx(1−2x)J2(m2+x(1−x)k2)=0.(65.27)
第一项对q为奇;剩下一项在x↦1−x时,分母不变,分子反号,故也为零。这是该图整个积分的相消,不仅是其极点的相消。
在第一幅图中,Pℓ=0已经提出一个2kρ。为确定一次动量反项,只需分母的零阶展开:
(ℓ+k)2+m21Pμρ(ℓ)kρ=ℓ2+m21−(ℓ2+m2)[(ℓ+k)2+m2]2ℓ⋅k+k2, ⟶ (1−d1)kμ在径向分母的圈积分中.(65.28)
第一行余项在大ℓ处至少多衰减一个幂,所以在已经提出外动量的图中不再产生原来的对数发散。零阶分母包含m>0,其小ℓ行为为1/ℓ2,在四维附近局部可积。这里的外动量选择因而保留了所需紫外极点。
记这个混合质量积分为
J11(m2)J11(m2)pole:=με∫ℓℓ2(ℓ2+m2)1=∫01dxJ2(xm2),=8π2εi.(65.29)
有限部分中的∫01lnxdx=−1也是收敛的。于是式(65.26)的极部为
eV3μ(k,0)tree+poleZ1=[Z1−8π2ε4e2(1−41)]kμ=[Z1−8π2ε3e2]kμ,=1+8π2ε3e2+更高圈项.(65.30)
这与Z2相同。此前我们分别从标量动能和电磁三点函数确定两者,现在由具体图的计算看到了规范对称性对它们的联系。
两标量两光子顶角中的相消
这个四点函数的表面发散度为零,树顶角也与外动量无关。把全部外动量置零以后,只要外标量通过三点顶角接到内部光子上,就又出现ℓμPμν=0。留下图65d中的三类图。
图65d:全部外动量为零。三类分别含两个接触顶角、一个四标量及两个三点顶角、一个四标量及一个接触顶角。前两类还各有一次μ↔ν的外光子排列,故各取两份;第三类的两个光子已经接在同一个顶角。
外动量相同并不使两条带标签的外光子变成同一条线。第一类的两个光子可以分别接到左右接触顶角;第二类的两个三点顶角也可交换外光子身份。因此前两类各乘2。把相位、导数和这一排列数合起来,有
cacbcc=2(−2ie2)2(1/i)2=8e4,=2(ie)2(−iλ)(1/i)3d4=−d8e2λ,=(−iλ)(−2ie2)(1/i)2=2e2λ.(65.31)
第二行的4/d来自(2ℓ)μ(2ℓ)ν的角平均。第一行仍保留内部光子的投影。因此三个圈贡献为
Δ(iV4μν)=8e4με∫ℓℓ2(ℓ2+m2)Pμν(ℓ)−d8e2λgμνμε∫ℓ(ℓ2+m2)3ℓ2+2e2λgμνJ2(m2).(65.32)
后两项在整个积分层面相消。对同一个d维积分作一次分部积分:
0−d8e2λ(4dJ2)+2e2λJ2=με∫ℓ∂ℓρ∂(ℓ2+m2)2ℓρ=dJ2(m2)−4με∫ℓ(ℓ2+m2)3ℓ2,=0.(65.33)
所以在全零外动量、相同维数调节下,λ相关的这两个贡献连有限部分也恰好相消。若先在张量平均中把d取为4,再保留其余积分的有限部分,便会破坏这里的精确联系。
第一项平均Pμν后给(1−1/d)gμνJ11。加上树项,得到
e2V4μν(0,0,0)tree+poleZ4=[−2Z4+8π2ε8e2(1−41)]gμν=[−2Z4+4π2ε3e2]gμν,=1+8π2ε3e2+更高圈项.(65.34)
树顶角为−2e2gμν,所以消去圈极点所需的反项是δZ4=3e2/(8π2ε)。
四标量顶角与不可省去的四次耦合
最后一个局部四点函数有四条标量外线。仍取全零外动量,横向性消去所有外标量经三点顶角接到内部光子的图。余下的五幅图必须继续保留外线身份:1、2入射,3、4出射。
图65e:前两幅为光子泡,外线配对分别是(13∣24)与(14∣23);第三幅是(12∣34)的同向标量泡,后两幅为(13∣24)与(14∣23)的异向标量泡。五幅权重依次为1/2,1/2,1/2,1,1。
每个双光子接触顶角含一条入、一条出标量,因而光子泡只能有前两种外线分配。固定外标签以后,两条内部光子仍可以交换,两个图的对称因子都为2。第三幅的两条内部标量沿同一方向流动,也可以交换,故同样取1/2。后两幅的内部标量箭头相反,交换内线会改变有向图,因而各取1。对称因子中的图自同构固定每一条外线;交换整组外线得到的是另一种外线分配。
也可以直接数带标签的威克收缩。将两个插入点分别记为x,y,保留展开系数1/2!。两个海鸥顶角的单项式系数为1;两个四标量顶角则另带(1/4)2。对每一种无序外线分配,把x,y两种标记都计入,有:
| 内部线与外线分配 | 收缩数 | 单项式及展开系数 | 除以完整顶角乘积后的权重 |
|---|
| 光子泡,(13∣24) | 4 | 1/2 | 4/(2×22)=1/2 |
| 光子泡,(14∣23) | 4 | 1/2 | 1/2 |
| 同向标量泡,(12∣34) | 16 | 1/32 | 1/2 |
| 异向标量泡,(13∣24) | 32 | 1/32 | 1 |
| 异向标量泡,(14∣23) | 32 | 1/32 | 1 |
表中海鸥顶角的完整树系数含因子2,四标量顶角的完整树系数为1;电荷、四次耦合和共同相位已提出。光子泡每一种分配有两种顶角标记和两种光子配对,共4次收缩。同向标量泡在固定顶角标记下有2!2!种外端连接、2!种内线连接,共8次;异向标量泡的四个外端各有两个同类场可选,共16次。再乘两种顶角标记,就得到表中计数。
光子泡的洛伦兹缩并是两个投影的迹:
gμνPνρ(ℓ)gρσPσμ(ℓ)=PμρPρμ=trP2=trP=d−1.(65.35)
闭链中每个内部洛伦兹指标都出现两次,缩并结果为投影的迹d−1。两个接触顶角与两条光子内线给(−2ie2)2(1/i)2=4e4。两四标量顶角及两条标量内线则给(−iλ)2(1/i)2=λ2。于是
iV4φ(0,0,0)=−iZλλ+(21+21)4e4(d−1)J2(mγ2)+(21+1+1)λ2J2(m2)=−iZλλ+4e4(d−1)J2(mγ2)+25λ2J2(m2).(65.36)
这里的光子泡与前面的光子蝌蚪有不同的红外行为。它的积分是J2(mγ2)∝(mγ2)−ε/2,在固定正ε时随mγ→0发散。若从一开始把mγ也置零,维数调节会把这个没有尺度的积分记成零,同时隐去原本需要提取的紫外极点。因此先在mγ>0时确定极部;红外质量不参与最终的紫外反项。
将式(65.13)用于两个质量,圈项中的d−1只在极点系数中取3,得到
V4φ(0,0,0)tree+pole=−Zλλ+2π2ε3e4+16π2ε5λ2.(65.37)
本式是V,前式计算的是iV;整体除以i以后,树项和圈项都按同一规则变换。
消去极点便给
Zλ=1+ε1(2π2λ3e4+16π25λ)+更高圈项.(65.38)
以上用乘法因子Zλ表示四次项的重整化。当λ趋零时,更合适的是保留作用量里真正出现的乘积:
Zλλ=λ+δλ,δλ=ε1(2π23e4+16π25λ2)+更高圈项.(65.39)
即使先把树级λ设为零,两个光子泡仍产生四标量发散。因此局部四次项必须保留,正好实现了第61节引入它时所指出的可重整性要求。取e=0则只剩三个有向标量泡,它们的权重和5/2给出纯复标量理论的结果。
这次计算还得到Z1,Z2,Z4的相同一圈极部。记a=3e2/(8π2ε),在同一微扰阶上
Z2Z12=1+a+O(二圈)1+2a+O(二圈)=1+a+O(二圈)=Z4.(65.40)
下面先从量子作用量求出低能顶角的归一条件,再由有限规范变换推导这些重整化因子的关系。
在壳物理电荷与软顶角
以下取m>0,在保留红外调节的微扰理论中定义标量极点及其导数;
先作紫外减除,再讨论软光子的边界。
标量内线为−i/K(p2),其在壳归一是
K(z)K(−m2)Πφ(−m2)=z+m2−Πφ(z),z=p2,=0,K′(−m2)=1,=0,Πφ′(−m2)=0.(65.41)
物理横向光子的单位留数另由Πγ(0)=0固定,
如第62节的在壳方案。
这里的m因这些条件而成为物理质量;
它与前面MS计算中尚未施加这些条件的质量参数含义不同。
下面未写出的虚光子红外调节始终保留在Πφ及顶角函数中。
从局域相位到三点、四点关系
先以e表示局域相位中的常数,暂不预先把它等同于物理电荷。
对平滑紧支撑函数χ(x),采用
Aμχ=Aμ−∂μχ,φχ=Uφ,φ†χ=φ†U−1,U=e−ieχ.(65.42)
相应反项与这一变换的相容条件将在下文求出。
量子恒等式所需的变元论证可沿用
第63节的量子规范恒等式:标量的两组积分变量φ,φ†
分别产生detU与detU−1,在共同调节下相消;
光子场平移的雅可比行列式为1。
标量线性源η†φ+φ†η的变分分别为
−ieη†χφ与
+ieφ†χη。
这些项对场都是线性的,取期望后可直接用平均场替换。
因此相同的勒让德变换给
δΓ=δSbr:
二次规范固定项以及作为红外调节的二次光子质量项,其已知变分留在
Sbr[A]中;减去它们后,Γ=Γ−Sbr
满足局域相位不变性。调节及反项取成与矢量规范对称相容。
抽出Γ中恰含一对标量平均场的部分,定义完整逆核:
Γφ†φK[A−∂χ](x,y)=−∫d4xd4yφ†(x)K[A](x,y)φ(y),=U(x)K[A](x,y)U−1(y).(65.43)
第二行由第一行对任意φ,φ†不变得到。
所有顶角均取自完整1PI量子作用量。
令q=p′−p,第二个光子的入动量为q−k,
并沿eipx的傅里叶约定展开:
K[A](p′,p)=(2π)4δ4(q)K(p2)−V3μ(p′,p)Aμ(q)−21∫(2π)4d4kV4μν(k,p′,p)Aμ(k)Aν(q−k)+O(A3).(65.44)
两个光子是相同玻色场,故二次项有1/2!。
作用量前面的负号使核内的两个顶角系数都带负号;
例如树级常背景给
K[A]=(p−eA)2+m2,
恰好对应V3μ=e(p′+p)μ和V4μν=−2e2gμν。
对式(65.43)取χ的一次项和A的零次项。
左边由δAμ(q)=−iqμχ(q)得到,
右边由相位作用在核的两端得到:
δK(p′,p)qμV3μ(p′,p)=iqμV3μ(p′,p)χ(q)=ie[K(p′2)−K(p2)]χ(q),=e[K(p′2)−K(p2)].(65.45)
在固定红外调节下取任意方向的q→0,逐项比较q的一次系数,
即得零转移关系
V3μ(p,p)=e∂pμ∂K(p2)=2epμK′(p2).(65.46)
这里∂p2/∂pμ=2pμ,度规仍为(−,+,+,+)。
由于式(65.41)已把外标量留数定为1,
物理电荷的定义就是
V3μ(p,p)∣p2=−m2=2epμ,e=e.(65.47)
若将两条标量腿均放在壳上,可写
V3μ=e[(p′+p)μF(q2)+qμG(q2)]。
它们是此时可用的两个洛伦兹向量;
式(65.45)给q2G(q2)=0。
在q2=0先得G=0,再以固定调节下的连续边界到达q2=0,
所以电荷条件也可写成F(0)=1。非零q2处的F描述电荷分布的动量依赖。
再取式(65.43)中恰含一份χ(k)
和一份Aν(q−k)的系数。核内二次项的两个光子位置各产生一次变分,
正好抵消1/2;核两端的相位则分别平移出、入标量动量:
δKχAδKχAkμV4μν(k,p′,p)=ikμV4μν(k,p′,p)χ(k)Aν(q−k),=ie[V3ν(p′−k,p)−V3ν(p′,p+k)]χ(k)Aν(q−k),=e[V3ν(p′−k,p)−V3ν(p′,p+k)].(65.48)
代入树级三点核,右边为−2e2kν,
与左边的V4μν=−2e2gμν一致,因而这里的差分次序已固定。
在顶角关于软动量可微的调节设置下,对k的一次系数比较给
V4μν(0,p′,p)=−e(∂pμ′∂+∂pμ∂)V3ν(p′,p).(65.49)
然后令p′=p。括号内的两个导数正是沿对角线p′=p的全导数,
因此第二个光子也变软时,
V4μν(0,p,p)=−e2∂pμ∂pν∂2K(p2)=−2e2gμνK′(p2)−4e2pμpνK′′(p2).(65.50)
这一步显式给出了完整1PI四点核中可能存在的第二个张量结构。
在标量质量壳上,它成为
V4μν(0,p,p)∣p2=−m2=−2e2gμν+4e2pμpνΠφ′′(−m2).(65.51)
二阶导数Πφ′′(−m2)由在壳附近的曲率决定。
例如局部展开K(z)=z+m2+ζ(z+m2)2满足同样的极点与单位留数,
但给四点核增添−8e2ζpμpν,
其中ζ的质量维数为−2。
这里的ζ代表完整动量函数在壳附近的泰勒系数,由圈修正确定。
四点条件与汤姆孙散射
对在壳时间样动量p2=−m2,定义投到其静止空间的投影张量
Pμν(p)=gμν+m2pμpν,Pμνpν=0,PμαPαν=Pμν.(65.52)
式(65.51)在这个空间内的归一条件为
PμαPνβV4αβ(0,p,p)p2=−m2=−2e2Pμν.(65.53)
等价地,若v⋅p=w⋅p=0,
则vμwνV4μν(0,p,p)=−2e2v⋅w。
这保留了质量壳上的物理横向响应,同时容许
式(65.51)所要求的pμpν项。
在入射标量静止系,这一条件直接给出汤姆孙极限。
取p=(m,0),入、出光子动量分别为k,k′,
满足k2=k′2=0且p′=p+k−k′在壳。
入光子偏振取ϵinμ∗,
出光子取ϵoutν。
选取两者的时间分量均为零的横向规范代表,则
p⋅ϵin∗k⋅ϵin∗=p⋅ϵout=0,=k′⋅ϵout=0.(65.54)
两个单标量交换项各含一个消失的端点收缩。
在吸收入光子的那个初态端点,
V3μ(p+k,p)只能是pμ与kμ的线性组合,
因而它与ϵinμ∗的收缩为零;
另一个交换项的初态端点为V3ν(p−k′,p),
同理被ϵoutν消去。
在非零频率上完成这一收缩后,便可安全地取交换项的软极限。
在电荷共轭不破缺的零背景真空中,
A↦−A、φ↔φ†
使零标量背景的量子作用量为A的偶函数,
故其三光子1PI系数为零,不存在额外的三光子交换项。
剩下的完整二标量二光子1PI核在双软边界由
式(65.53)确定:
ω→0limTλ′λ=−2e2ϵout(k′)⋅ϵin∗(k).(65.55)
这里ω=k0;令ω′=k′0及θ为两光子夹角,
p′2=p2给m(ω−ω′)=ωω′(1−cosθ),
从而ω′/ω=[1+(ω/m)(1−cosθ)]−1→1。
这就是标量汤姆孙归一。上述微分和软极限均先在固定红外调节下进行,
物理无质量光子的结果取其横向边界。对于有限频率的散射,
可测截面还须合并实、虚软光子造成的红外贡献。
因此三点条件可取式(65.47),
四点条件可取式(65.53),
并同时保留完整核的式(65.51)。
若将顶角写为
V3μ(p′,p)V4μν(k,p′,p)=eZ1(p′+p)μ+V3,loopμ(p′,p),=−2e2Z4gμν+V4,loopμν(k,p′,p),(65.56)
它们固定的是相应物理投影的有限减除部分;
规范恒等式使这两个条件与标量留数相联系。
要得到OS方案的有限Z因子,应在这些物理投影上评价圈顶角。
前面的三点与四点计算选择特殊离壳动量,只确定紫外极部,
其有限部分还须按上述在壳条件重新求出。
有限规范变换与重整化常数
现在直接考察含独立Z1,Z2,Z4的局部拉格朗日量。
为同时讨论互为共轭的两种电荷约定,定义σ=±1,并记
ρLσ=φ†φ,Jμ=φ†∂μφ−(∂μφ†)φ,=−Z2∂μφ†∂μφ−iσZ1eJμAμ−Z4e2ρAμAμ−Zmm2ρ−41Zλλρ2−41Z3FμνFμν.(65.57)
σ=+1表示与第61节相容的负交叉项,
σ=−1表示交换共轭荷支后的正交叉项。
Jμ本身是纯虚的,实Zi,e,λ使拉格朗日量厄米。
在d=4−ε的调节中,可把下面每个e理解为
ed=eμε/2、每个λ理解为
λd=λμε;
两条电磁耦合仍含同一个ed,所以所要证明的无量纲Z关系不变。
取标准的局域U(1)作用:
在每一点把一个复标量乘以单位模相位,保持ρ,
变换连续地连到恒等元,并遵守相位的群合成律。
该相位只依赖该点的规范参数,不依赖场、A或规范参数的导数。
若U(Γ1+Γ2)=U(Γ1)U(Γ2)且在原点可微,
对Γ2求导并令其为零即得
dU/dΓ=UU′(0);单位模性令U′(0)=−ic,c为实常数。
故所需的一般形式是
Aμ′=Aμ−rμ,rμ=∂μΓ,φ′=e−icΓφ,φ†′=φ†eicΓ.(65.58)
规范参数的整体周期在此未作规定;我们只考察上述连通局域变换,
并取通常微扰理论中的非退化动能Z2=0及非零e。
展开导数可得
∂μφ′∂μφ†′J′μ∂μφ†′∂μφ′=e−icΓ(∂μφ−icrμφ),=(∂μφ†+icrμφ†)eicΓ,=Jμ−2icρrμ,=∂μφ†∂μφ+icJμrμ+c2ρrμrμ.(65.59)
其中J′的两个导数项各给−icρrμ,所以有因子2。
代入线性相互作用时还须同时使用A′=A−r;
两者共同决定电流项的系数。
质量项和标量四次项仅依赖ρ,而Fμν′=Fμν,
它们均不变。剩下的精确差为
Lσ′−Lσ=i(σZ1e−Z2c)Jμrμ+2(Z4e2−σZ1ec)ρAμrμ+(−Z2c2+2σZ1ec−Z4e2)ρrμrμ.(65.60)
这是有限Γ的结果,保留了(∂Γ)2项。
例如交叉作用的变化来自
−iσZ1e[(J−2icρr)⋅(A−r)−J⋅A];
因此ρA⋅r的贡献为−2σZ1ec,
而ρr2的贡献为+2σZ1ec,两者的号不同。
规范参数及场的局部取值可任意变化。
先让φ的相位梯度改变Jμ,而固定ρ,A,r,
电流项便要求c=σeZ1/Z2。
把它代回其余两项,得到
cLσ′−Lσ=σeZ2Z1,=e2(Z4−Z2Z12)ρ(2A⋅r−r2).(65.61)
对非零ρ再独立改变A与r,
就得到必要条件Z4=Z12/Z2。
这一条件保证拉格朗日量在每一点保持不变,对任意离壳场都成立。
充分性可直接写成一个完整的平方。
在这一关系成立时,定义
DσμLσ,matterDσμ′φ′=∂μ−iσeZ2Z1Aμ,=−Z2(Dσμφ)†Dσμφ−Zmm2ρ−41Zλλρ2,=e−icΓDσμφ,c=σeZ1/Z2.(65.62)
最后一行中的−ic∂μΓ来自场相位,
+ic∂μΓ来自Aμ′=Aμ−∂μΓ,
所以精确抵消。结合ρ′=ρ与F′=F,整部拉格朗日量不变,
充要性因而完成。
将两种符号约定分别还原,结论为
正交叉项:负交叉项:φ′=exp(+ieZ2Z1Γ)φ,φ′=exp(−ieZ2Z1Γ)φ,Z4=Z2Z12.(65.63)
负交叉项在Z1=Z2=1时恢复相位e−ieΓ。
正交叉项可通过φ↔φ†与之对应,
这同时交换粒子与反粒子的电荷。
若e=0,所有这些电磁物质耦合已消失,
任意Z4都不影响规范不变性,上述关系便不再是必要条件。
Z2=0则失去这里所用的非退化传播动能,不能套用含1/Z2的推论。
现在把这个局部作用量与物理电荷的归一条件相接。
在第61节相容的荷支上,式(65.62)
中的相位系数为e=eZ1/Z2。
在壳电荷条件用标量和光子的物理留数以及零转移顶角将它校准为e,
故在同一归一与保持沃德关系的减除方案中
Z1=Z2,Z4=Z2.(65.64)
三点荷与两光子接触耦合因而不提供两个彼此独立的物理电荷。
若只取一圈,记Zi=1+δZi,
充要关系在保留的一圈阶成为
δZ4=2δZ1−δZ2.(65.65)
前面由式(65.25)、(65.30)及(65.34)在横向规范下得到三个相同的
3e2/(8π2ε)紫外极部,正满足此式。
这里比较的是一圈紫外系数;
在壳有限项由上述物理投影确定。
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