Srednicki §76 整体对称性中的反常

26 年 9 月 14 日 星期一
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上一节的困难发生在规范流上:如果纵向规范模式不能退耦,建立物理态空间所需的恒等式就会受到破坏。不过,一个规范理论还可能具有别的对称性。它们只涉及常参数变换,相应流也不与独立的规范场耦合。这些整体对称性在量子论中失效,可以产生新的物理效应。本节研究最简单的例子:无质量狄拉克场的轴向对称性。这一结果将在第90节的强子衰变中再次出现。

推导将复用第75节已经算出的三角图。这里“整体对称性中的反常”指常参数对称性对应的流不守恒,含义不同于上一节由大规范变换引起的“整体规范反常”。以下取耦合记号gg、度规(,+,+,+)(-,+,+,+)ϵ0123=+1\epsilon^{0123}=+1,并沿第75节的{γμ,γν}=2gμν\{\gamma^\mu,\gamma^\nu\}=-2g^{\mu\nu}约定。

无质量狄拉克场的两种相位变换

取一个电荷Q=+1Q=+1的狄拉克场,令其质量为零。拉格朗日量为

L=iΨˉγμDμΨ14FμνFμν,Dμ=μigAμ,Fμν=μAννAμ.(76.1)\begin{gathered} \mathcal L=i\bar\Psi\gamma^\mu D_\mu\Psi -\frac14F^{\mu\nu}F_{\mu\nu},\\ D_\mu=\partial_\mu-igA_\mu,\qquad F_{\mu\nu}=\partial_\mu A_\nu-\partial_\nu A_\mu . \end{gathered} \tag{76.1}

单个U(1)理论只有一个规范场,无需另列内部生成元指标。在四维,Ψ,Aμ,Fμν\Psi,A_\mu,F_{\mu\nu}的质量维数分别为3/2,1,23/2,1,2gg无量纲。用gg而不用前面电子的电荷ee,是因为这里先把这个理论作为研究对称性的例子。

为了看清两个独立的相位,按第36节把狄拉克场写成两个左手外尔场。它们的规范电荷相反:

Ψ=(χξ),Qχ=+1,Qξ=1,L=iχσˉμ(μigAμ)χ+iξσˉμ(μ+igAμ)ξ14FμνFμν.(76.2)\begin{gathered} \Psi=\begin{pmatrix}\chi\\ \xi^\dagger\end{pmatrix}, \qquad Q_\chi=+1,\qquad Q_\xi=-1,\\ \mathcal L= i\chi^\dagger\bar\sigma^\mu(\partial_\mu-igA_\mu)\chi +i\xi^\dagger\bar\sigma^\mu(\partial_\mu+igA_\mu)\xi -\frac14F^{\mu\nu}F_{\mu\nu}. \end{gathered} \tag{76.2}

第二行与四分量写法相差一个全散度。具体地,右手块给出的动能可以重排为

iξσμ(μigAμ)ξ=iξσˉμ(μ+igAμ)ξ+μ(iξσμξ).(76.3)\begin{aligned} &i\xi\sigma^\mu(\partial_\mu-igA_\mu)\xi^\dagger\\ &\quad=i\xi^\dagger\bar\sigma^\mu(\partial_\mu+igA_\mu)\xi + \partial_\mu(i\xi\sigma^\mu\xi^\dagger). \end{aligned} \tag{76.3}

对导数分部积分产生一个负号,再交换两个奇场产生第二个负号,因此动能的号不变;规范耦合没有分部积分的负号,所以在换序后反号。这就解释了ξ\xi的相反电荷。边界项按前章的作用量边界条件处理。

熟悉的局域规范变换是

Ψ(x)eigΓ(x)Ψ(x),Ψˉ(x)Ψˉ(x)e+igΓ(x),Aμ(x)Aμ(x)μΓ(x),χ(x)eigΓ(x)χ(x),ξ(x)e+igΓ(x)ξ(x).(76.4)\begin{aligned} \Psi(x)&\longmapsto e^{-ig\Gamma(x)}\Psi(x), &\bar\Psi(x)&\longmapsto\bar\Psi(x)e^{+ig\Gamma(x)},\\ A_\mu(x)&\longmapsto A_\mu(x)-\partial_\mu\Gamma(x),\\ \chi(x)&\longmapsto e^{-ig\Gamma(x)}\chi(x), &\xi(x)&\longmapsto e^{+ig\Gamma(x)}\xi(x). \end{aligned} \tag{76.4}

它使两个外尔场获得相反相位。规范势的变换恰好消去导数作用在相位上所给出的项:

DμΨ=[μig(AμμΓ)]eigΓΨ=eigΓ[ig(μΓ)Ψ+μΨigAμΨ+ig(μΓ)Ψ]=eigΓDμΨ.(76.5)\begin{aligned} D'_\mu\Psi' &=\bigl[\partial_\mu-ig(A_\mu-\partial_\mu\Gamma)\bigr] e^{-ig\Gamma}\Psi\\ &=e^{-ig\Gamma}\bigl[-ig(\partial_\mu\Gamma)\Psi +\partial_\mu\Psi-igA_\mu\Psi +ig(\partial_\mu\Gamma)\Psi\bigr]\\ &=e^{-ig\Gamma}D_\mu\Psi . \end{aligned} \tag{76.5}

这里第二行只是把第一行展开;FμνF_{\mu\nu}则因两个混合偏导相消而不变。因此拉格朗日量保持不变。

没有质量项时,还可以让两个左手场获得相同的常相位,而保持AμA_\mu不变:

χeiαχ,ξeiαξ,α=常数,γ5=(120012),Ψeiαγ5Ψ.(76.6)\begin{gathered} \chi\longmapsto e^{i\alpha}\chi,\qquad \xi\longmapsto e^{i\alpha}\xi,\qquad \alpha=\text{常数},\\ \gamma_5=\begin{pmatrix}-\mathbf1_2&0\\0&\mathbf1_2\end{pmatrix}, \qquad \Psi\longmapsto e^{-i\alpha\gamma_5}\Psi . \end{gathered} \tag{76.6}

因为ξ\xi^\dagger的相位是eiαe^{-i\alpha},四分量场的上下两个块正好具有相反相位。这是轴向变换。用Ψˉ=Ψγ0\bar\Psi=\Psi^\dagger\gamma^0求出伴随场的变换:

Ψˉ=Ψeiαγ5γ0=Ψˉγ0eiαγ5γ0=Ψˉeiαγ5,eiαγ5γμ=γμeiαγ5.(76.7)\begin{aligned} \bar\Psi' &=\Psi^\dagger e^{i\alpha\gamma_5}\gamma^0 =\bar\Psi\gamma^0 e^{i\alpha\gamma_5}\gamma^0 =\bar\Psi e^{-i\alpha\gamma_5},\\ e^{-i\alpha\gamma_5}\gamma^\mu &=\gamma^\mu e^{i\alpha\gamma_5}. \end{aligned} \tag{76.7}

这里用了(γ0)2=1(\gamma^0)^2=1{γ5,γμ}=0\{\gamma_5,\gamma^\mu\}=0。正是第二个恒等式,使动能与规范耦合中的两个轴相位相消。因此Ψ\PsiΨˉ\bar\Psi的两个轴相位指数须取同号。

轴流及其经典守恒

求这个对称性的诺特流时,暂把α\alpha换成位置函数。动能中只有导数作用于α\alpha的部分不再相消,因而

δαL=iΨˉγμ[i(μα)γ5Ψ]=(μα)jAμ,jAμ:=Ψˉγμγ5Ψ.(76.8)\begin{aligned} \delta_\alpha\mathcal L &=i\bar\Psi\gamma^\mu[-i(\partial_\mu\alpha)\gamma_5\Psi] =(\partial_\mu\alpha)j_A^\mu,\\ j_A^\mu&:=\bar\Psi\gamma^\mu\gamma_5\Psi . \end{aligned} \tag{76.8}

这一局域变分固定了轴流的整体号。把变分作用量分部积分,得到d4xαμjAμ-\int d^4x\,\alpha\,\partial_\mu j_A^\mu;在经典场方程成立且α\alpha紧支撑时,变分作用量为零,所以轴流守恒。

同时记与规范耦合有关的向量流为jμj^\mu。四分量矩阵相乘后,右手块出现ξσμξ\xi\sigma^\mu\xi^\dagger;按第35节的指标约定交换两个奇场,它等于ξσˉμξ-\xi^\dagger\bar\sigma^\mu\xi。于是两个流可写成

jχμ=χσˉμχ,jξμ=ξσˉμξ,jμ:=ΨˉγμΨ=jχμjξμ,Lint=gAμjμ,jAμ=jχμjξμ.(76.9)\begin{aligned} j_\chi^\mu&=\chi^\dagger\bar\sigma^\mu\chi,\qquad j_\xi^\mu=\xi^\dagger\bar\sigma^\mu\xi,\\ j^\mu:=\bar\Psi\gamma^\mu\Psi&=j_\chi^\mu-j_\xi^\mu, \qquad\mathcal L_{\rm int}=gA_\mu j^\mu,\\ j_A^\mu&=-j_\chi^\mu-j_\xi^\mu . \end{aligned} \tag{76.9}

这些双线性使用相同的正规序或局域复合场定义。向量流中两个电荷相减,轴流中两个左手场则同号相加。上一节的规范三次迹于是为13+(1)3=01^3+(-1)^3=0;带一个轴流和两个向量流的三角图却具有(1)(+1)2+(1)(1)2=2(-1)(+1)^2+(-1)(-1)^2=-2的内部权重。向量规范对称性与轴向整体对称性,因而可以有不同的量子行为。

经典守恒也可以直接用狄拉克方程检查。令DμΨˉ=μΨˉ+igAμΨˉD_\mu\bar\Psi=\partial_\mu\bar\Psi+igA_\mu\bar\Psi;双线性中两个规范势项相消,所以

μjAμ=(DμΨˉ)γμγ5Ψ+Ψˉγμγ5DμΨ=(DμΨˉ)γμγ5ΨΨˉγ5γμDμΨ=0(m=0, 经典场方程).(76.10)\begin{aligned} \partial_\mu j_A^\mu &=(D_\mu\bar\Psi)\gamma^\mu\gamma_5\Psi +\bar\Psi\gamma^\mu\gamma_5D_\mu\Psi\\ &=(D_\mu\bar\Psi)\gamma^\mu\gamma_5\Psi -\bar\Psi\gamma_5\gamma^\mu D_\mu\Psi=0 \qquad(m=0,\ \text{经典场方程}). \end{aligned} \tag{76.10}

若加入mΨˉΨ-m\bar\Psi\Psi,它在轴变换下产生2imαΨˉγ5Ψ2im\alpha\bar\Psi\gamma_5\Psi,相应地μjAμ=2imΨˉγ5Ψ\partial_\mu j_A^\mu=2im\bar\Psi\gamma_5\Psi。因此本节取无质量,正是为了分开质量造成的显式破缺与量子反常。

轴流的名称还反映它的宇称性质。沿第40节的宇称作用,记Pμν=diag(1,1,1,1)\mathsf P^\mu{}_\nu=\operatorname{diag}(1,-1,-1,-1)。场的常相位在双线性中相消,而

γ0γμγ5γ0=Pμνγνγ5,P1jA0(t,x)P=jA0(t,x),P1jAi(t,x)P=+jAi(t,x).(76.11)\begin{aligned} \gamma^0\gamma^\mu\gamma_5\gamma^0 &=-\mathsf P^\mu{}_\nu\gamma^\nu\gamma_5,\\ P^{-1}j_A^0(t,\mathbf x)P&=-j_A^0(t,-\mathbf x),\\ P^{-1}j_A^i(t,\mathbf x)P&=+j_A^i(t,-\mathbf x). \end{aligned} \tag{76.11}

普通矢量的空间部分在宇称下反号,轴矢量则为时间分量奇、空间分量偶。它的散度是赝标量,随后出现的ϵFF\epsilon FF也有这一宇称。

量子轴流的散度能否包含一个由两个场强组成的项?可以先计算轴流在真空与双光子态之间的矩阵元,再与场强乘积相比较,以判断这一项及其系数。这样既用到了上一节的三角图,也给出了这个局域表达式的直接物理含义。

用流三点函数计算双光子矩阵元

设两个出射光子的动量为p,qp,q,偏振为εμ,εν\varepsilon_\mu,\varepsilon'_\nu。沿第55、56节,偏振定义为场展开中产生部分的系数,故单光子矩阵元为p,λAμ(x)0=εμeipx\langle p,\lambda|A_\mu(x)|0\rangle=\varepsilon_\mu e^{-ipx}。在取外腿物理边界时,p2=q2=0p^2=q^2=0,且pε=qε=0p\cdot\varepsilon=q\cdot\varepsilon'=0。螺旋度标签以下省去。

定义连通的流三点函数

Gμνρ(x,y,z)=0Tjμ(x)jν(y)jAρ(z)0c,G=G0+O(g2).(76.12)\begin{gathered} G^{\mu\nu\rho}(x,y,z) =\langle0|Tj^\mu(x)j^\nu(y)j_A^\rho(z)|0\rangle_c,\\ G=G_0+O(g^2). \end{gathered} \tag{76.12}

G0G_0由自由狄拉克场收缩得到。三个流各含两个费米场,把它们连起来便形成一圈;这一圈本身没有规范耦合因子,因为流的定义中没有gg。两个外光子则要经由gAμjμgA_\mu j^\mu与这条圈相连。

第67节的外光子约化,每条出光子腿给一个igig、一个偏振和一个负指数的傅里叶积分。也可以直接在相互作用展开中看出其组合因子:二阶项带(ig)2/2!(ig)^2/2!,两个带固定标签的外光子可分别接到两个相互作用点,有2!2!种接法;二者相消。外传播子被LSZ逆核消去后,最低阶矩阵元为

Mρ(z):=p,qjAρ(z)0=(ig)2εμενd4xd4yei(px+qy)G0μνρ(x,y,z)+O(g4).(76.13)\begin{aligned} M^\rho(z)&:=\langle p,q|j_A^\rho(z)|0\rangle\\ &=(ig)^2\varepsilon_\mu\varepsilon'_\nu \int d^4x\,d^4y\,e^{-i(px+qy)} G_0^{\mu\nu\rho}(x,y,z)+O(g^4). \end{aligned} \tag{76.13}

本节计算到g2g^2阶;光子外腿重叠的O(g2)O(g^2)修正和流核中的内光子交换,都会从矩阵元的g4g^4阶才开始贡献。为求反常的局域紫外系数,仍先采用上一节的非例外外动量或共同红外调节,再取上述外腿边界。

如果两个诺特流的经典守恒关系都能直接用于这个三点函数,三个流端的散度就都应为零。通常的沃德推导还会对其他插入作变分,但这里两个流在两种相位变换下都不变。向量相位在双线性两端直接相消;对轴相位,具体有

δαjμ=iαΨˉ(γ5γμ+γμγ5)Ψ=0,δαjAμ=iαΨˉ(γ5γμγ5+γμ)Ψ=0.(76.14)\begin{aligned} \delta_\alpha j^\mu &=-i\alpha\bar\Psi (\gamma_5\gamma^\mu+\gamma^\mu\gamma_5)\Psi=0,\\ \delta_\alpha j_A^\mu &=-i\alpha\bar\Psi (\gamma_5\gamma^\mu\gamma_5+\gamma^\mu)\Psi=0. \end{aligned} \tag{76.14}

因此,由其他流插入的变分产生的接触项为零。经典预期是

xμGμνρ=0,yνGμνρ=0,zρGμνρ=0,zρMρ(z)=0(三条流沃德式均成立时).(76.15)\begin{gathered} \partial_{x^\mu}G^{\mu\nu\rho}=0,\qquad \partial_{y^\nu}G^{\mu\nu\rho}=0,\qquad \partial_{z^\rho}G^{\mu\nu\rho}=0,\\ \partial_{z^\rho}M^\rho(z)=0 \qquad\text{(三条流沃德式均成立时)}. \end{gathered} \tag{76.15}

量子三流乘积在点重合处还需要重整化,三角图的有限局域项将决定这三条沃德式的散度。

为使用上一节的结果,对三个插入位置作傅里叶变换。取三个动量都流出,定义

(2π)4δ4(p+q+r)Cμνρ(p,q,r)=d4xd4yd4zei(px+qy+rz)Gμνρ(x,y,z),C=C0+O(g2).(76.16)\begin{aligned} &(2\pi)^4\delta^4(p+q+r)\,C^{\mu\nu\rho}(p,q,r)\\ &\qquad=\int d^4x\,d^4y\,d^4z\, e^{-i(px+qy+rz)}G^{\mu\nu\rho}(x,y,z),\\ &C=C_0+O(g^2). \end{aligned} \tag{76.16}

x,y,zx,y,z处的三个流分别携带自由指标μ,ν,ρ\mu,\nu,\rhop,μp,\muq,νq,\nu对应两个向量流,r,ρr,\rho对应轴流。

总动量δ\delta来自共同平移三个插入点。由真空平移不变性,G(x,y,z)=G(xz,yz,0)G(x,y,z)=G(x-z,y-z,0)。令X=xz,Y=yzX=x-z,Y=y-z,雅可比因子为1;三个位置积分中的共同zz积分就是d4zei(p+q+r)z=(2π)4δ4(p+q+r)\int d^4z\,e^{-i(p+q+r)z}=(2\pi)^4\delta^4(p+q+r)。如果像矩阵元中那样保持zz不积分,则

d4xd4yei(px+qy)G0μνρ(x,y,z)=ei(p+q)zd4Xd4Yei(pX+qY)G0μνρ(X,Y,0)=C0μνρ(p,q,r)eirzr=pq.(76.17)\begin{aligned} &\int d^4x\,d^4y\,e^{-i(px+qy)} G_0^{\mu\nu\rho}(x,y,z)\\ &\quad=e^{-i(p+q)z} \int d^4X\,d^4Y\,e^{-i(pX+qY)} G_0^{\mu\nu\rho}(X,Y,0)\\ &\quad=\left.C_0^{\mu\nu\rho}(p,q,r)e^{irz}\right|_{r=-p-q}. \end{aligned} \tag{76.17}

定义中的总δ\delta已经提出,所以最后一行没有额外的(2π)4(2\pi)^4。代回约化式,便得到本阶矩阵元及其散度:

Mρ(z)=g2εμενC0μνρ(p,q,r)eirzr=pq+O(g4),p,qρjAρ(z)0=ig2εμενrρC0μνρ(p,q,r)eirzr=pq+O(g4).(76.18)\begin{aligned} M^\rho(z) &=-g^2\varepsilon_\mu\varepsilon'_\nu C_0^{\mu\nu\rho}(p,q,r)e^{irz}\big|_{r=-p-q} +O(g^4),\\ \langle p,q|\partial_\rho j_A^\rho(z)|0\rangle &=-ig^2\varepsilon_\mu\varepsilon'_\nu r_\rho C_0^{\mu\nu\rho}(p,q,r)e^{irz}\big|_{r=-p-q} +O(g^4). \end{aligned} \tag{76.18}

第一行的负号来自(ig)2(ig)^2,第二行的ii来自对eirze^{irz}求导。轴流是局域算符插入,r=pqr=-p-q不受单光子的质量壳条件限制。

同样,对坐标沃德式分部积分,xμ\partial_{x^\mu}ipμip_\mu,另两项给iqν,irρiq_\nu,ir_\rho。于是经典守恒所要求的三个动量空间恒等式为

pμCμνρ=0,qνCμνρ=0,rρCμνρ=0.(76.19)p_\mu C^{\mu\nu\rho}=0,\qquad q_\nu C^{\mu\nu\rho}=0,\qquad r_\rho C^{\mu\nu\rho}=0 . \tag{76.19}

轴流散度的问题已经归结为最后一个收缩。现在可以回到上一节的两张三角图。

保持两个向量流的沃德恒等式

三点函数C0C_0的两个费米定向正是第75节的两幅三角图。区别在于顶角:本节的三个插入分别为γμ,γν,γργ5\gamma^\mu,\gamma^\nu,\gamma^\rho\gamma_5,上一节的三个规范顶角则各带igγλPLig\gamma^\lambda P_L。上一节已把三个左投影移到同一个位置,并利用PL2=PLP_L^2=P_L合并。在两个定向之和中,不含γ5\gamma_5的部分相消,因此只有PLP_L中的γ5/2-\gamma_5/2部分留下。这个消去过程见式(75.16)

为同时追踪传播线的负号,仍沿同一圈动量标记,记

D=[(p)2i0][2i0][(+q)2i0],Tμνρ()=tr[(ℓ̸)γμℓ̸γν(ℓ̸+)γργ5].(76.20)\begin{aligned} \mathcal D_\ell &=[(\ell-p)^2-i0][\ell^2-i0][(\ell+q)^2-i0],\\ \mathcal T^{\mu\nu\rho}(\ell) &=\operatorname{tr}\bigl[ (\slashed\ell-\slashed p)\gamma^\mu\slashed\ell\gamma^\nu (\slashed\ell+\slashed q)\gamma^\rho\gamma_5\bigr]. \end{aligned} \tag{76.20}

每条无质量狄拉克线是S/iS/i,且S=/(k2i0)S=-\slashed k/(k^2-i0)。所以一个定向的三个分子给(1)3(-1)^3,闭费米圈再给1-1;三个1/i1/i相乘为ii。与上一节相比较,有

C0,1μνρ=(1)(1i)3(1)3d4(2π)4Tμνρ()D=id4(2π)4Tμνρ()D,V75,1μνρ=ig32d4(2π)4Tμνρ()D.(76.21)\begin{aligned} C_{0,1}^{\mu\nu\rho} &=(-1)\left(\frac1i\right)^3(-1)^3 \int\frac{d^4\ell}{(2\pi)^4} \frac{\mathcal T^{\mu\nu\rho}(\ell)}{\mathcal D_\ell}\\ &=i\int\frac{d^4\ell}{(2\pi)^4} \frac{\mathcal T^{\mu\nu\rho}(\ell)}{\mathcal D_\ell},\\ V_{75,1}^{\mu\nu\rho} &=\frac{ig^3}{2}\int\frac{d^4\ell}{(2\pi)^4} \frac{\mathcal T^{\mu\nu\rho}(\ell)}{\mathcal D_\ell}. \end{aligned} \tag{76.21}

两个定向的奇部分相加,所以两种核的总和满足

iV75μνρ=12(ig)3C0μνρ+O(g5),V75μνρ=g32C0μνρ+O(g5).(76.22)\begin{gathered} iV_{75}^{\mu\nu\rho} =-\frac12(ig)^3C_0^{\mu\nu\rho}+O(g^5),\\ V_{75}^{\mu\nu\rho} =\frac{g^3}{2}C_0^{\mu\nu\rho}+O(g^5). \end{gathered} \tag{76.22}

右端的C0C_0g0g^0开始,左端顶角从g3g^3开始;这正是两边圈图相同而顶角因子不同所要求的阶数。

上一节用a=c(pq)a=c(p-q)描述共同的圈动量选线改变,并算出了三个收缩。将其式(75.32)除以g3/2g^3/2,得到

pμC0μνρ=i4π2(1c)ϵνραβqαrβ,qνC0μνρ=i4π2(1c)ϵρμαβrαpβ,rρC0μνρ=i4π2(2c)ϵμναβpαqβ.(76.23)\begin{aligned} p_\mu C_0^{\mu\nu\rho} &=-\frac{i}{4\pi^2}(1-c) \epsilon^{\nu\rho\alpha\beta}q_\alpha r_\beta,\\ q_\nu C_0^{\mu\nu\rho} &=-\frac{i}{4\pi^2}(1-c) \epsilon^{\rho\mu\alpha\beta}r_\alpha p_\beta,\\ r_\rho C_0^{\mu\nu\rho} &=-\frac{i}{4\pi^2}(2c) \epsilon^{\mu\nu\alpha\beta}p_\alpha q_\beta . \end{aligned} \tag{76.23}

这次必须让前两行同时为零,因为这两个流与光子耦合,它们的沃德恒等式保证光子偏振的规范部分退耦。因此取c=1c=1。第三个插入是轴流,与前两个插入不同;三点函数只须在两个向量插入之间对称。所以这里的选择与上一节三个相同手征规范流所要求的c=1/3c=1/3相容,各自对应不同的流身份。

取定c=1c=1以后,向量流保持守恒,轴流则留下非零散度:

pμCμνρ=qνCμνρ=0,rρCμνρ=i2π2ϵμναβpαqβ+O(g2).(76.24)\begin{gathered} p_\mu C^{\mu\nu\rho}=q_\nu C^{\mu\nu\rho}=0,\\ r_\rho C^{\mu\nu\rho} =-\frac{i}{2\pi^2} \epsilon^{\mu\nu\alpha\beta}p_\alpha q_\beta+O(g^2). \end{gathered} \tag{76.24}

两个向量沃德恒等式可以由保持规范对称性的定义继续维持;第二行是本节实际求得的一圈项。改变局域三点项能够重新分配三条腿上的破缺,却不能令它们同时消失。保持规范耦合所需的两条恒等式以后,剩下的破缺就表现为轴向整体对称性的反常。

还可以把这个结论变回位置空间,以看清接触项从哪里出现。式(76.16)中,对zz的散度变为irρCμνρir_\rho C^{\mu\nu\rho};另一方面,xαδ4(xz)\partial_{x^\alpha}\delta^4(x-z)的傅里叶积分为ipαeipzip_\alpha e^{-ipz}。因此

zρGμνρ(x,y,z)=12π2ϵμναβxαδ4(xz)yβδ4(yz)+O(g2).(76.25)\partial_{z^\rho}G^{\mu\nu\rho}(x,y,z) =-\frac{1}{2\pi^2}\epsilon^{\mu\nu\alpha\beta} \partial_{x^\alpha}\delta^4(x-z)\, \partial_{y^\beta}\delta^4(y-z)+O(g^2). \tag{76.25}

右边两个导数各给一个ii,使其傅里叶变换成为+ϵμναβpαqβ/(2π2)+\epsilon^{\mu\nu\alpha\beta}p_\alpha q_\beta/(2\pi^2),恰好等于式(76.24)irρCir_\rho C。这个量子接触分布支撑在三个流重合之处。再对xμx^\muyνy^\nu求散度时,对称的双导数与ϵ\epsilon缩并为零,仍与两个向量沃德恒等式相符。

场强乘积及反常的局域形式

现在将式(76.24)代回双光子矩阵元。来自位置导数的i-i与来自三角核的i-i相乘,给出一个负号:

p,qρjAρ(z)0=g22π2ϵμναβpαqβεμενei(p+q)z+O(g4).(76.26)\begin{aligned} \langle p,q|\partial_\rho j_A^\rho(z)|0\rangle &=-\frac{g^2}{2\pi^2} \epsilon^{\mu\nu\alpha\beta} p_\alpha q_\beta\varepsilon_\mu\varepsilon'_\nu e^{-i(p+q)z}+O(g^4). \end{aligned} \tag{76.26}

两光子交换时,μ,ν\mu,\nuα,β\alpha,\beta同时交换,两个负号相消。若把任一偏振换成同腿动量,反对称张量与两个相同动量缩并为零,所以结果具有外光子所需的规范不变性。

为了把这个动量结构认成场强乘积,先在自由场中写出光子态和场展开的归一。取两种物理偏振λ,λ\lambda,\lambda',用协变连续标签归一的态:

p,λ;q,λ=aλ(p)aλ(q)0,[aλ(p),aσ(k)]=(2π)32p0δλσδ3(pk).(76.31)\begin{gathered} |p,\lambda;q,\lambda'\rangle =a_\lambda^\dagger(\mathbf p) a_{\lambda'}^\dagger(\mathbf q)|0\rangle,\\ \relax[a_\lambda(\mathbf p),a_\sigma^\dagger(\mathbf k)] =(2\pi)^3\,2p^0\delta_{\lambda\sigma} \delta^3(\mathbf p-\mathbf k). \end{gathered} \tag{76.31}

对光滑波包,这些关系给出通常的福克空间内积。在库仑规范ε0=0\varepsilon^0=0下,

Aμ(z)=σd3k(2π)32k0[εσμ(k)aσ(k)eikz+εσμ(k)aσ(k)eikz].(76.32)A_\mu(z)=\sum_\sigma\int \frac{d^3k}{(2\pi)^3\,2k^0} \left[ \varepsilon^*_{\sigma\mu}(k)a_\sigma(\mathbf k)e^{ikz} +\varepsilon_{\sigma\mu}(k)a_\sigma^\dagger(\mathbf k)e^{-ikz} \right]. \tag{76.32}

产生部分的偏振系数是εμ\varepsilon_\mu,相应湮灭部分带其复共轭。直接用对易子收缩,得到

p,λAμ(z)0=σd3k(2π)32k0εσμ(k)eikz(2π)32p0δλσδ3(pk)=εμeipz.(76.33)\begin{aligned} \langle p,\lambda|A_\mu(z)|0\rangle &=\sum_\sigma\int\frac{d^3k}{(2\pi)^3\,2k^0} \varepsilon_{\sigma\mu}(k)e^{-ikz} (2\pi)^3\,2p^0\delta_{\lambda\sigma} \delta^3(\mathbf p-\mathbf k)\\ &=\varepsilon_\mu e^{-ipz}. \end{aligned} \tag{76.33}

这样,每条模式积分中的(2π)32k0(2\pi)^3\,2k^0都由外态归一约去。对产生部分的相位eipze^{-ipz}微分,便有

fμν(p,ε):=pμενpνεμ,p,λFμν(z)0=ifμν(p,ε)eipz.(76.27)\begin{aligned} f_{\mu\nu}(p,\varepsilon) &:=p_\mu\varepsilon_\nu-p_\nu\varepsilon_\mu,\\ \langle p,\lambda|F_{\mu\nu}(z)|0\rangle &=-if_{\mu\nu}(p,\varepsilon)e^{-ipz}. \end{aligned} \tag{76.27}

将式(76.31)中的对易子记为I(p,λ;k,σ)\mathcal I(p,\lambda;k,\sigma),两次收缩给

0aλ(q)aλ(p)aσ(k)aτ(l)0=I(p,λ;k,σ)I(q,λ;l,τ)+I(p,λ;l,τ)I(q,λ;k,σ).(76.34)\begin{aligned} &\langle0|a_{\lambda'}(\mathbf q)a_\lambda(\mathbf p) a_\sigma^\dagger(\mathbf k)a_\tau^\dagger(\mathbf l)|0\rangle\\ &\quad=\mathcal I(p,\lambda;k,\sigma) \mathcal I(q,\lambda';l,\tau) +\mathcal I(p,\lambda;l,\tau) \mathcal I(q,\lambda';k,\sigma). \end{aligned} \tag{76.34}

第一项把pp配给第一个场强,第二项把pp配给第二个场强,两个配对取玻色正号。用自由威克乘积定义同点场强,其真空减除项是单位算符,对真空到双光子的矩阵元无贡献。因此

p,q:Fμν(z)Fρσ(z):0=[fμν(p,ε)fρσ(q,ε)+fμν(q,ε)fρσ(p,ε)]ei(p+q)z.(76.28)\begin{aligned} &\langle p,q|:F_{\mu\nu}(z)F_{\rho\sigma}(z):|0\rangle\\ &\quad=-\bigl[ f_{\mu\nu}(p,\varepsilon)f_{\rho\sigma}(q,\varepsilon') +f_{\mu\nu}(q,\varepsilon')f_{\rho\sigma}(p,\varepsilon) \bigr]e^{-i(p+q)z}. \end{aligned} \tag{76.28}

这里的负号是 (i)2(-i)^2;两个配对间取玻色正号。协变外态归一给出的 (2π)32ω(2\pi)^3\,2\omega 与每条模式积分中的测度分母相消。再与列维—奇维塔张量缩并,每种配对都给出四个相等的项:

ϵμνρσfμν(p,ε)fρσ(q,ε)=ϵμνρσ(pμενqρεσpμενqσερ)+ϵμνρσ(pνεμqρεσ+pνεμqσερ)=4ϵμνρσpμενqρεσ.(76.35)\begin{aligned} &\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma} f_{\mu\nu}(p,\varepsilon)f_{\rho\sigma}(q,\varepsilon')\\ &=\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma} \bigl(p_\mu\varepsilon_\nu q_\rho\varepsilon'_\sigma -p_\mu\varepsilon_\nu q_\sigma\varepsilon'_\rho\bigr)\\ &\quad+\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma} \bigl(-p_\nu\varepsilon_\mu q_\rho\varepsilon'_\sigma +p_\nu\varepsilon_\mu q_\sigma\varepsilon'_\rho\bigr)\\ &=4\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma} p_\mu\varepsilon_\nu q_\rho\varepsilon'_\sigma. \end{aligned} \tag{76.35}

展开乘积后,在第二项交换 ρ,σ\rho,\sigma,第三项交换 μ,ν\mu,\nu,第四项同时作这两次交换,列维—奇维塔张量的符号便把各项都变成第一项。交换整个指标对是偶置换,所以另一种光子配对贡献相同。把指标整理成三角图所用的次序,结果为

p,qϵμνρσ:FμνFρσ:(z)0=8ϵαμβνpαqβεμενei(p+q)z=+8ϵμναβpαqβεμενei(p+q)z.(76.29)\begin{aligned} &\langle p,q| \epsilon^{\mu\nu\rho\sigma}:F_{\mu\nu}F_{\rho\sigma}:(z) |0\rangle\\ &\quad=-8\epsilon^{\alpha\mu\beta\nu} p_\alpha q_\beta\varepsilon_\mu\varepsilon'_\nu e^{-i(p+q)z}\\ &\quad=+8\epsilon^{\mu\nu\alpha\beta} p_\alpha q_\beta\varepsilon_\mu\varepsilon'_\nu e^{-i(p+q)z}. \end{aligned} \tag{76.29}

数值8来自两种配对乘每个场强的两个反对称项。最后的指标置换为奇,恰好消去两次微分的负号。将这个式子乘以g2/(16π2)-g^2/(16\pi^2),就得到三角图的矩阵元。

要把匹配写成局域形式,还要确定允许出现哪些密度。轴流散度的维数是4,并且是赝标量。保持向量规范不变性时,纯光子局域项应由场强和它的导数组成。两个场强已用尽维数4;其赝标量缩并只有ϵμνρσFμνFρσ\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma}F_{\mu\nu}F_{\rho\sigma}。一个场强配两个导数的赝标量候选可写成ϵμνρσμνFρσ\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma}\partial_\mu\partial_\nu F_{\rho\sigma},它因两个导数对称而为零;把一个导数先缩并到场强的写法也由比安基恒等式给零。因此,在保持向量沃德恒等式、以式(76.8)固定轴流归一的定义下,本节确定

μjAμ一圈局域光子项=g216π2ϵμνρσFμνFρσ.(76.30)\left.\partial_\mu j_A^\mu\right|_{\text{一圈局域光子项}} =-\frac{g^2}{16\pi^2} \epsilon^{\mu\nu\rho\sigma}F_{\mu\nu}F_{\rho\sigma}. \tag{76.30}

双光子匹配固定了这一局域项;含其他插入时的运动方程项和接触项,需要把轴流作为复合算符统一定义。第77节从费米子积分测度导出任意插入的轴向沃德恒等式,并说明反常系数的一圈精确性所采用的共同算符归一。

在无质量理论中,规范耦合保持向量流的守恒,局域场强乘积则成为轴荷变化的源。轴向整体对称性的反常由此与光子的规范沃德恒等式并存。


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文章标题:Srednicki §76 整体对称性中的反常

文章作者:Whitney

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