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Srednicki §41 自旋二分之一粒子的 LSZ 约化

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系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇

要计算自旋二分之一粒子的散射,首先仍须构造遥远过去的入态和遥远未来的出态,再将它们的内积写成场的关联函数。所需的波包散射极限已在第5节讨论,旋量和模式归一化则沿用第38、39节。有了这些准备,我们可以逐条约化外部粒子:一阶狄拉克方程使每条外腿带上一阶微分和数值旋量,模式的反对易关系则决定交换粒子次序时的负号。

从单粒子态到波包

先考虑保持Ψ↦e−iαΨ\Psi\mapsto e^{-i\alpha}\Psi的狄拉克理论。在动能项系数为一、相互作用不含场导数时,这个对称性给出守恒流jμ=ΨˉγμΨj^\mu=\bar\Psi\gamma^\mu\Psi及荷Q=∫d3x j0Q=\int d^3x\,j^0。选定荷单位,使粒子荷取+1+1、反粒子荷取−1-1,两类单粒子态便可用荷标签区分。自由理论中的态由产生算符作用于真空得到,而产生算符本身又可由场的空间投影抽取。将这两层关系写在一起:

∣p,s,+⟩=bs†(p)∣0⟩,∣p,s,−⟩=ds†(p)∣0⟩,bs†(p)=∫d3x eipxΨˉ(x)γ0us(p),ds†(p)=∫d3x eipxvˉs(p)γ0Ψ(x).(41.1)\begin{aligned} |\mathbf p,s,+\rangle&=b_s^\dagger(\mathbf p)|0\rangle, \\ |\mathbf p,s,-\rangle&=d_s^\dagger(\mathbf p)|0\rangle,\\ b_s^\dagger(\mathbf p) &=\int d^3x\,e^{ipx}\bar\Psi(x)\gamma^0u_s(\mathbf p),\\ d_s^\dagger(\mathbf p) &=\int d^3x\,e^{ipx}\bar v_s(\mathbf p)\gamma^0\Psi(x). \end{aligned} \tag{41.1}

其中bs†b_s^\dagger的投影由模式反演中的Ψ†u\Psi^\dagger u改写而来,只需用Ψˉγ0=Ψ†\bar\Psi\gamma^0=\Psi^\dagger;ds†d_s^\dagger的投影同样用vˉγ0=v†\bar v\gamma^0=v^\dagger改写。投影中的四动量取正能量质量壳,p0=ωp=p2+m2p^0=\omega_{\mathbf p}=\sqrt{\mathbf p^2+m^2},平面波相位为px=−ωpt+p⋅xpx=-\omega_{\mathbf p}t+\mathbf p\cdot\mathbf x。自由模式的反对易关系随即确定态的内积:

⟨p′,s′,q′∣p,s,q⟩=(2π)3 2ωp δ3(p′−p)δs′sδq′q,⟨0∣0⟩=1,q,q′=±1.(41.2)\begin{aligned} \langle\mathbf p',s',q'|\mathbf p,s,q\rangle &=(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf p}\, \delta^3(\mathbf p'-\mathbf p)\delta_{s's}\delta_{q'q},\\ \langle0|0\rangle&=1,\qquad q,q'=\pm1. \end{aligned} \tag{41.2}

例如,计算正荷态的内积时,把湮灭算符移到右边,b†bb^\dagger b项湮灭真空,只留下{b,b†}\{b,b^\dagger\}。不同荷的内积则由混合模的反对易子给出,因而为零。这样固定的动量态适合表示振幅,却尚不能描述空间中彼此分离的入射粒子;为此需要将它们叠加成波包。

波包用普通d3pd^3p积分,场展开中的不变测度因子已包含在模式归一化中。允许同一个包同时包含两种自旋,定义波包算符及其内积为

B†[f]=∑s∫d3p fs(p)bs†(p),B[f]=B†[f]†,C(h,f)≡{B[h],B†[f]}=(2π)3∑s∫d3p 2ωp hs(p)∗fs(p).(41.3)\begin{aligned} B^\dagger[f]&=\sum_s\int d^3p\,f_s(\mathbf p)b_s^\dagger(\mathbf p), \\ B[f]&=B^\dagger[f]^\dagger,\\ C(h,f)&\equiv\{B[h],B^\dagger[f]\}\\ &=(2\pi)^3\sum_s\int d^3p\,2\omega_{\mathbf p}\, h_s(\mathbf p)^*f_s(\mathbf p). \end{aligned} \tag{41.3}

将模式CAR代入两条动量积分,δ\delta函数消去其中一条,就得到C(h,f)C(h,f)的积分式。对于固定自旋s1s_1,选择fs(p)=δss1Nexp⁡[−(p−p1)2/(4σ2)]f_s(\mathbf p)=\delta_{ss_1}N \exp[-(\mathbf p-\mathbf p_1)^2/(4\sigma^2)]。 常数NN由C(f,f)=1C(f,f)=1确定;其窄包展开沿用第5节式(5.4),自旋求和在这里仅留下一个固定标签。

这个包的空间传播由自由场矩阵元⟨0∣Ψ(x)B†[f]∣0⟩=∑s∫d3p fs(p)us(p)eipx\langle0|\Psi(x)B^\dagger[f]|0\rangle =\sum_s\int d^3p\,f_s(\mathbf p)u_s(\mathbf p)e^{ipx}描述。将场展开代入后,只有一个b,b†b,b^\dagger收缩留下来,CAR中的(2π)32ω(2\pi)^3 2\omega正好消去不变测度的分母。当σ/ω1≪1\sigma/\omega_1\ll1时,可将us(p)u_s(\mathbf p)在包中心展开;首项为常旋量乘第5节的高斯包络,空间宽度约为σ−1\sigma^{-1}。这个近似舍去了相对O(σ/ω1)O(\sigma/\omega_1)级的旋量变化,保留us(p)u_s(\mathbf p)的原积分则给出精确包形。

相位对动量的导数确定包中心速度v1=p1/ω1\mathbf v_1=\mathbf p_1/\omega_1。在薛定谔图景中,同一态的动量振幅随时间乘上e−iωpte^{-i\omega_{\mathbf p}t},色散关系的二阶导数又使波包逐渐展宽。因此,判断远过去或远未来的粒子是否分离,须同时考虑中心运动和波包扩散。第5节的分离论证可逐分量用于这里的旋量积分,因为紧动量支撑上的usu_s光滑有界。严格构造取互不相交的速度支撑;具有不同中心的两个高斯包则描述相应的近似制备。

由这些包构造多粒子态时,还须计入费米交换。将B[f1]B[f_1]依次移过两个产生算符,两粒子范数为

⟨0∣B[f2]B[f1]B†[f1]B†[f2]∣0⟩=C(f1,f1)C(f2,f2)−C(f1,f2)C(f2,f1)=det⁡G,Gij=C(fi,fj).(41.4)\begin{aligned} &\langle0|B[f_2]B[f_1]B^\dagger[f_1]B^\dagger[f_2]|0\rangle\\ &\quad=C(f_1,f_1)C(f_2,f_2) -C(f_1,f_2)C(f_2,f_1) =\det G,\qquad G_{ij}=C(f_i,f_j). \end{aligned} \tag{41.4}

第一项来自B[f1]B[f_1]与第一个产生算符的反对易子;产生第二项时,它先越过这个算符一次,故多一个负号。若两包相同,行列式为零,反映同一单粒子态不能被占据两次。两包各自归一且相互正交时,整个态已归一;一般在det⁡G>0\det G>0时,应将产生链除以det⁡G\sqrt{\det G}。继续按CAR递推,更多粒子的范数便成为更高阶格拉姆行列式。把b†b^\dagger换为d†d^\dagger可构造反粒子包,两类模式之间仍保持反对易关系,内积另带荷标签的δ\delta。

现在将式(41.1)右侧换成相互作用场。投影一般开始依赖时间,因而要在遥远过去和未来分别取极限,用来制备入态和出态。这里继续采用第5节的散射假设:选择稳定、孤立的质量mm通道,插值场与它有非零重叠,并假定相应的渐近福克映射和逐腿矩阵元极限存在。以Bin/outB_{\rm in/out}表示得到的渐近算符,归一的两粒子态可写成

∣f1,f2;in⟩=(det⁡GF)−1/2Bin†[f1]Bin†[f2]∣0⟩,∣h1,h2;out⟩=(det⁡GH)−1/2Bout†[h1]Bout†[h2]∣0⟩.(41.5)\begin{aligned} |f_1,f_2;{\rm in}\rangle &=(\det G_F)^{-1/2} B_{\rm in}^\dagger[f_1]B_{\rm in}^\dagger[f_2]|0\rangle,\\ |h_1,h_2;{\rm out}\rangle &=(\det G_H)^{-1/2} B_{\rm out}^\dagger[h_1]B_{\rm out}^\dagger[h_2]|0\rangle. \end{aligned} \tag{41.5}

渐近投影沿用第5节的谱滤波与时间平均。下面先计算产生链的内积,再除以式(41.5)中的两个范数因子。

四种有限时间边界式

把渐近模式换成场插入的关键,是求同一投影在两个时间端点之差。约化时先采用本节后面的单位单粒子重叠,场如何归一化留待那里说明。先在有限的t−<t+t_-<t_+上求投影差。简写∫f=∑s∫d3p fs(p)\int_f=\sum_s\int d^3p\,f_s(\mathbf p),其中us,vs,pu_s,v_s,p仍随积分变量变化。用微积分基本定理,再代入式(41.1),得到

B†[f;t−]−B†[f;t+]=−∫t−t+dt ∂tB†[f;t]=−∫f∫t−t+d4x eipx[(∂0Ψˉ)γ0−iωpΨˉγ0]us.(41.6)\begin{aligned} B^\dagger[f;t_-]-B^\dagger[f;t_+] &=-\int_{t_-}^{t_+}dt\,\partial_t B^\dagger[f;t]\\ &=-\int_f\int_{t_-}^{t_+}d^4x\,e^{ipx} \left[(\partial_0\bar\Psi)\gamma^0 -i\omega_{\mathbf p}\bar\Psi\gamma^0\right]u_s. \end{aligned} \tag{41.6}

其中−iωp-i\omega_{\mathbf p}来自平面波的时间导数;此时对Ψ\Psi只作了求导,没有代入它的运动方程。要将时间项与空间项合并,可以先利用外部数值旋量的在壳方程:

(−ωpγ0+piγi+m)us=0,ωpγ0us=(piγi+m)us.(41.7)(-\omega_{\mathbf p}\gamma^0+p_i\gamma^i+m)u_s=0, \qquad \omega_{\mathbf p}\gamma^0u_s=(p_i\gamma^i+m)u_s. \tag{41.7}

将它代入式(41.6),方括号作用于usu_s后成为(∂0Ψˉ)γ0−iΨˉpiγi−imΨˉ(\partial_0\bar\Psi)\gamma^0 -i\bar\Psi p_i\gamma^i-im\bar\Psi。这一步把能量换成了空间动量和质量;接下来再将空间动量写成作用于平面波的导数,并把导数移到场上:

∫d3x eipx(−ipi)Ψˉγi=−∫d3x (∂ieipx)Ψˉγi=∫d3x eipx(∂iΨˉ)γi.(41.8)\begin{aligned} \int d^3x\,e^{ipx}(-ip_i)\bar\Psi\gamma^i &=-\int d^3x\,(\partial_i e^{ipx})\bar\Psi\gamma^i\\ &=\int d^3x\,e^{ipx}(\partial_i\bar\Psi)\gamma^i . \end{aligned} \tag{41.8}

分部积分的表面项由波包条件控制:先保留Schwartz包,或采用动量空间紧支撑的光滑包,空间无穷远的项便在所取涂抹矩阵元中消失。时间端点则保留在等式左侧,正是我们要计算的投影差。现在时间与空间γ\gamma项已能合为一个狄拉克微分,因而

B†[f;t−]−B†[f;t+]=i∫f∫t−t+d4x Ψˉ(x)D←xus eipx,ΨˉD←≡i(∂μΨˉ)γμ+mΨˉ,DΨ≡(−iγμ∂μ+m)Ψ.(41.9)\begin{aligned} B^\dagger[f;t_-]-B^\dagger[f;t_+] &=i\int_f\int_{t_-}^{t_+}d^4x\, \bar\Psi(x)\overleftarrow{\mathscr D}_x u_s\,e^{ipx},\\ \bar\Psi\overleftarrow{\mathscr D} &\equiv i(\partial_\mu\bar\Psi)\gamma^\mu+m\bar\Psi, \\ \mathscr D\Psi&\equiv(-i\gamma^\mu\partial_\mu+m)\Psi. \end{aligned} \tag{41.9}

整体因子由i(i∂+m)=−∂+imi(i\partial+m)=-\partial+im确定,与式(41.6)中的端点顺序相配。对自由场,伴随方程ΨˉD←=0\bar\Psi\overleftarrow{\mathscr D}=0使右侧为零,故产生算符与时间无关。相互作用场一般不满足这个自由方程;它偏离自由演化的部分,正通过右侧积分进入端点差。

粒子出腿可由同一等式取厄米共轭得到。先用γμ†γ0=γ0γμ\gamma^{\mu\dagger}\gamma^0=\gamma^0\gamma^\mu将共轭后的矩阵整理成狄拉克伴随形式:

[ΨˉD←us]†=uˉsDΨ.(41.10)\left[\bar\Psi\overleftarrow{\mathscr D}u_s\right]^\dagger =\bar u_s\mathscr D\Psi. \tag{41.10}

例如导数项给出−ius†γμ†γ0∂μΨ=−iuˉsγμ∂μΨ-i u_s^\dagger\gamma^{\mu\dagger}\gamma^0\partial_\mu\Psi =-i\bar u_s\gamma^\mu\partial_\mu\Psi。整体虚数也在共轭时变号;再反转端点差,两个负号抵消,于是得到一般复波包的出腿表达式:

B[f;t+]−B[f;t−]=i∑s∫d3p fs∗∫t−t+d4x e−ipxuˉsDxΨ(x).(41.11)B[f;t_+]-B[f;t_-] =i\sum_s\int d^3p\,f_s^* \int_{t_-}^{t_+}d^4x\,e^{-ipx}\bar u_s\mathscr D_x\Psi(x). \tag{41.11}

取伴随也把波包权函数变成fs∗f_s^*。对于实高斯,复共轭不改变权函数;一般出腿则须保留这里的复共轭,才能与态的内积相配。

对反粒子,从d†d^\dagger的投影开始。记波包算符为D†[f]=∑s∫d3p fsds†D^\dagger[f]=\sum_s\int d^3p\,f_s d_s^\dagger,这次所用的伴随旋量方程是vˉs(−p̸+m)=0\bar v_s(-\slashed p+m)=0,亦即ωpvˉsγ0=vˉs(piγi−m)\omega_{\mathbf p}\bar v_s\gamma^0 =\bar v_s(p_i\gamma^i-m)。质量项的号随之改变,同样的时间微分和空间分部积分给出

D†[f;t−]−D†[f;t+]=−∫f∫t−t+d4x eipxvˉs(γ0∂0−ipiγi+im)Ψ=−∫f∫t−t+d4x eipxvˉs(∂̸+im)Ψ=−i∫f∫t−t+d4x eipxvˉsDxΨ.(41.12)\begin{aligned} D^\dagger[f;t_-]-D^\dagger[f;t_+] &=-\int_f\int_{t_-}^{t_+}d^4x\,e^{ipx} \bar v_s\bigl(\gamma^0\partial_0-ip_i\gamma^i+im\bigr)\Psi\\ &=-\int_f\int_{t_-}^{t_+}d^4x\,e^{ipx} \bar v_s(\slashed\partial+im)\Psi\\ &=-i\int_f\int_{t_-}^{t_+}d^4x\,e^{ipx} \bar v_s\mathscr D_x\Psi . \end{aligned} \tag{41.12}

第一行的−ipi-ip_i先写成作用于指数的导数,再按式(41.8)移过一次,第二行就出现了场的空间导数。这里vv方程的质量号与粒子情形相反,最后提出的系数因而为−i-i。对这个结果取伴随并交换端点,便得到反粒子出腿:

D[f;t+]−D[f;t−]=−i∑s∫d3p fs∗∫t−t+d4x Ψˉ(x)D←xvs e−ipx.(41.13)D[f;t_+]-D[f;t_-] =-i\sum_s\int d^3p\,f_s^* \int_{t_-}^{t_+}d^4x\, \bar\Psi(x)\overleftarrow{\mathscr D}_x v_s\,e^{-ipx}. \tag{41.13}

四个边界式都把无量纲波包算符的差写成时空积分。例如入射b†b^\dagger这一项的量纲为[d3p]+[f]+[d4x]+[Ψˉ]+[D]+[u]=3−2−4+3/2+1+1/2=0[d^3p]+[f]+[d^4x]+[\bar\Psi]+[\mathscr D]+[u] =3-2-4+3/2+1+1/2=0。可见,一阶狄拉克微分须与维数1/21/2的外部旋量一起出现,才能和模式投影的归一化一致。

时间序与未散射的配对项

接着把边界式用于散射内积。按式(41.5)选定的产生链,两入两出的矩阵元为

S(H;F)=⟨0∣Bout[h2]Bout[h1]Bin†[f1]Bin†[f2]∣0⟩.(41.14)S(H;F)= \langle0|B_{\rm out}[h_2]B_{\rm out}[h_1] B_{\rm in}^\dagger[f_1]B_{\rm in}^\dagger[f_2]|0\rangle. \tag{41.14}

出态取厄米共轭后,两个湮灭算符的次序反转。因此,交换h1,h2h_1,h_2或f1,f2f_1,f_2中的任意一对,整个内积都改变符号。将它改写成场的关联函数时,时间排序必须保存这种反对称性。对两个奇场,定义

T{Ψα(x)Ψˉβ(y)}=θ(x0−y0)Ψα(x)Ψˉβ(y)−θ(y0−x0)Ψˉβ(y)Ψα(x).(41.15)\begin{aligned} T\{\Psi_\alpha(x)\bar\Psi_\beta(y)\} &=\theta(x^0-y^0)\Psi_\alpha(x)\bar\Psi_\beta(y)\\ &\quad-\theta(y^0-x^0)\bar\Psi_\beta(y)\Psi_\alpha(x). \end{aligned} \tag{41.15}

对更多奇因子也按同一规则排序:每交换一对就乘−1-1。原来的入端点在右、出端点在左,已经依时间先后排列,故可插入TT。随后边界式会把某条腿移到另一端点,这时新端点的位置与经过的奇因子数必须一起计入。

设B\mathcal B包含已经插入的rr个奇场,暂将它们的时间全部固定在t−t_-与t+t_+之间。为了约化下一条入腿,先定义包含一个待积分场的行旋量矩阵元:

Hα(x)=⟨β,out∣T{BΨˉα(x)}∣αin⟩,Qf(t)=∑s∫d3p fs∫d3x H(x)γ0useipx.(41.16)\begin{aligned} H_\alpha(x)&= \langle\beta,{\rm out}|T\{\mathcal B\bar\Psi_\alpha(x)\} |\alpha_{\rm in}\rangle,\\ Q_f(t)&=\sum_s\int d^3p\,f_s \int d^3x\,H(x)\gamma^0u_s e^{ipx}. \end{aligned} \tag{41.16}

这里∣αin⟩|\alpha_{\rm in}\rangle是其余尚未约化的入态。早端点的Ψˉ\bar\Psi位于B\mathcal B右边,无需交换;到了晚端点,它须移过rr个奇场。因此,在相应端点极限中,Qf(t−)Q_f(t_-)给出⟨β∣BBin†[f]∣αin⟩\langle\beta|\mathcal B B_{\rm in}^\dagger[f]|\alpha_{\rm in}\rangle,Qf(t+)Q_f(t_+)则给出(−1)r⟨β∣Bout†[f]B∣αin⟩(-1)^r\langle\beta|B_{\rm out}^\dagger[f]\mathcal B|\alpha_{\rm in}\rangle。将式(41.6)–(41.9)的运算用于整个H(x)H(x),两者之差为

⟨β∣BBin†[f]∣αin⟩−(−1)r⟨β∣Bout†[f]B∣αin⟩=i∑s∫d3p fs∫d4x H(x)D←xuseipx.(41.17)\begin{aligned} &\langle\beta|\mathcal B B_{\rm in}^\dagger[f]|\alpha_{\rm in}\rangle -(-1)^r \langle\beta|B_{\rm out}^\dagger[f]\mathcal B|\alpha_{\rm in}\rangle\\ &\qquad=i\sum_s\int d^3p\,f_s \int d^4x\,H(x)\overleftarrow{\mathscr D}_x u_s e^{ipx}. \end{aligned} \tag{41.17}

这个关系先在有限端点建立,再对矩阵元取散射极限。由于被微分的是整个时间序分布,当x0x^0经过某个插入时间时,式(41.15)中的阶跃函数也会给出导数项,稍后将在自由两点函数中看到它的作用。

现在取β=(h1,…,hM)\beta=(h_1,\ldots,h_M),考察晚端点一项。这里的产生算符与出射湮灭算符同属out代数,因而可以逐次使用CAR,把它移向左边的真空:

⟨h1,…,hM;out∣Bout†[f]=∑j=1M(−1)j−1C(hj,f)⟨h1,…,h^j,…,hM;out∣.(41.18)\begin{aligned} &\langle h_1,\ldots,h_M;{\rm out}|B_{\rm out}^\dagger[f]\\ &\quad=\sum_{j=1}^M(-1)^{j-1}C(h_j,f) \langle h_1,\ldots,\widehat h_j,\ldots,h_M;{\rm out}|. \end{aligned} \tag{41.18}

帽号表示删去相应的包。产生算符从右向左首先遇到B[h1]B[h_1];与第jj个配对以前,要先越过j−1j-1个湮灭算符,这就确定了求和中的符号。完全移到真空左矢旁的一项为零,沿途出现的内积项却须保留。将这个展开代回式(41.17),入射单腿约化便分成两部分:

⟨β∣BBin†[f]∣αin⟩=∑j=1M(−1)r+j−1C(hj,f)⟨β∖hj∣B∣αin⟩+i∑s∫d3p fs∫d4x ⟨β∣T{BΨˉ(x)}∣αin⟩D←xuseipx.(41.19)\begin{aligned} &\langle\beta|\mathcal B B_{\rm in}^\dagger[f]|\alpha_{\rm in}\rangle\\ &=\sum_{j=1}^M(-1)^{r+j-1}C(h_j,f) \langle\beta\setminus h_j|\mathcal B|\alpha_{\rm in}\rangle\\ &\quad+i\sum_s\int d^3p\,f_s\int d^4x\, \langle\beta|T\{\mathcal B\bar\Psi(x)\}|\alpha_{\rm in}\rangle \overleftarrow{\mathscr D}_x u_s e^{ipx}. \end{aligned} \tag{41.19}

一部分让这条入腿与某条出腿直接配对,表示该粒子未发生散射,其余粒子仍可参与散射;另一部分将它换成场插入,继续留在关联函数中。这两种选择的递推,也将决定完整散射矩阵的结构。

对出腿改用T{Ψ(x)B}T\{\Psi(x)\mathcal B\},晚端点已在正确位置,早端点则须交换rr次。将式(41.11)用于这个矩阵元,得到

⟨β∣Bout[h]B∣αin⟩−(−1)r⟨β∣BBin[h]∣αin⟩=i∑s∫d3p hs∗∫d4x e−ipxuˉsDx⟨β∣T{Ψ(x)B}∣αin⟩.(41.20)\begin{aligned} &\langle\beta|B_{\rm out}[h]\mathcal B|\alpha_{\rm in}\rangle -(-1)^r\langle\beta|\mathcal B B_{\rm in}[h]|\alpha_{\rm in}\rangle\\ &\quad=i\sum_s\int d^3p\,h_s^*\int d^4x\,e^{-ipx}\bar u_s\mathscr D_x \langle\beta|T\{\Psi(x)\mathcal B\}|\alpha_{\rm in}\rangle. \end{aligned} \tag{41.20}

若先处理完全部入腿,右边的剩余入态就是真空,第二项中的BinB_{\rm in}将其湮灭;此后逐条约化出腿,只需保留积分项。每处理一条外腿,先把已有场的坐标固定在有限区间,再完成这一腿的端点极限,各层积分依此嵌套。这正是第5节所用次序在费米场中的实现。

时间序导数的一个检验

时间序的阶跃函数为何不能略去,可以从自由场两点函数G0(x,y)=⟨0∣TΨ(x)Ψˉ(y)∣0⟩G_0(x,y)=\langle0|T\Psi(x)\bar\Psi(y)|0\rangle直接看出。对式(41.15)求∂x0\partial_{x^0},两个阶跃函数的导数合成等时反对易子;其余部分由自由狄拉克方程消去。因此

DxG0(x,y)=−iγ0δ(x0−y0)⟨0∣{Ψ(x),Ψˉ(y)}∣0⟩=−iγ0γ0δ4(x−y)=−iI4δ4(x−y),G0(x,y)D←y=−iI4δ4(x−y).(41.21)\begin{aligned} \mathscr D_xG_0(x,y) &=-i\gamma^0\delta(x^0-y^0) \langle0|\{\Psi(x),\bar\Psi(y)\}|0\rangle\\ &=-i\gamma^0\gamma^0\delta^4(x-y) =-iI_4\delta^4(x-y),\\ G_0(x,y)\overleftarrow{\mathscr D}_y &=-iI_4\delta^4(x-y). \end{aligned} \tag{41.21}

最后一行改为对y0y^0求导,阶跃函数给出的号与前面相反,但左作用狄拉克导数的系数为+i+i,两者合起来仍给−i-i。将粒子外腿的+i+i乘上这个接触项,便留下单位单粒子重叠。继续约化另一端时,余下的数值旋量和平面波满足自由狄拉克方程,完整的两腿转移积分为零;自由一粒子内积则由式(41.18)中的C(h,f)C(h,f)提供。由此可见,若把狄拉克微分直接移入TT,只对场使用运动方程,就会在第一步丢掉这个非零接触项。

配对的符号怎样汇成行列式

现在把逐腿递推合在一起。用R(H;F)\mathcal R(H;F)表示所有外腿都换成场插入后的积分,并约定R(∅;∅)=1\mathcal R(\varnothing;\varnothing)=1;这一积分中仍可包含几个互不连通的散射过程。从f1f_1开始依次使用式(41.19),每条入腿或与出腿直接配对,或成为场插入,再用式(41.20)处理剩余出腿。按哪些标签被配对来归组,就得到

S(H;F)=∑I⊂{1,…,N}J⊂{1,…,M}∣I∣=∣J∣(−1)∑I+∑Jdet⁡CJ,I R(HJˉ;FIˉ),Cji=C(hj,fi).(41.22)\begin{aligned} S(H;F)&= \sum_{\substack{I\subset\{1,\ldots,N\}\\ J\subset\{1,\ldots,M\}\\ |I|=|J|}} (-1)^{\sum I+\sum J} \det C_{J,I}\, \mathcal R(H_{\bar J};F_{\bar I}),\\ C_{ji}&=C(h_j,f_i). \end{aligned} \tag{41.22}

其中未被删去的标签始终保持原顺序,空行列式取一。行列式来自同一组入、出腿的所有配法,而它前面的符号还记录了这些腿在原产生链中的位置。要看清两者怎样分开,设被配对的入腿为i1<⋯<iki_1<\cdots<i_k,它们依次配到出腿j1,…,jkj_1,\ldots,j_k。处理第aa次配对时,此前未被配对的入腿已留下ia−ai_a-a个场插入;若先前删去的出腿中有ℓa\ell_a个编号小于jaj_a,当前这条出腿就在剩余列表的第ja−ℓaj_a-\ell_a个位置。于是式(41.19)累计的负号次数为

E=∑a=1k(ia−a+ja−ℓa−1),∑aℓa=k(k−1)2−inv⁡(j1,…,jk),E=∑I+∑J−k(k+1)+inv⁡(j1,…,jk).(41.23)\begin{aligned} E&=\sum_{a=1}^k(i_a-a+j_a-\ell_a-1),\\ \sum_a\ell_a&=\frac{k(k-1)}2-\operatorname{inv}(j_1,\ldots,j_k),\\ E&=\sum I+\sum J-k(k+1) +\operatorname{inv}(j_1,\ldots,j_k). \end{aligned} \tag{41.23}

这里inv⁡\operatorname{inv}数出出腿列表中的逆序对,而k(k+1)k(k+1)恒为偶数。固定两组标签后,对它们的全部配法求和,逆序号就组成det⁡CJ,I\det C_{J,I}。每个部分匹配在按序约化入腿时恰好出现一次,所以不再有额外阶乘。

在所选稳定单粒子通道中,一入一出的散射矩阵等于态内积,故R(h;f)=0\mathcal R(h;f)=0。两入两出时,所有只余一条入腿和一条出腿的项随之消失,留下

S(h1,h2;f1,f2)=C11C22−C12C21+R(h1,h2;f1,f2).(41.24)S(h_1,h_2;f_1,f_2) =C_{11}C_{22}-C_{12}C_{21} +\mathcal R(h_1,h_2;f_1,f_2). \tag{41.24}

自由理论的入、出算符相同,最后一项为零,前两项则恢复式(41.4)的反对称内积。全部外腿都转移为场插入的积分是R\mathcal R;完整散射矩阵还包含前面两项未散射配对。当入、出包之间所有直接内积均为零时,这个积分也等于该组波包的完整SS。若只求两入两出的连通散射部分,则在积分中使用连通四点函数即可。

四腿公式与一般外腿规则

有了波包的等式,就可以提取确定动量的振幅。窄包形式上对应σ→0\sigma\to0。应先对任意合适的波包建立等式,再读出乘在∏h∗∏f\prod h^*\prod f旁的动量分布。若始终保持高斯包的单位范数,它不会在希尔伯特空间中收敛为动量δ\delta态,分布态仍须采用式(41.2)的归一化。这与第5节的平面波极限完全相同。

为写出四腿积分,先固定关联函数中的场次序,并简记积分测度与相位:

Gα2′α1′α1α2=⟨0∣T{Ψα2′(x2′)Ψα1′(x1′)Ψˉα1(x1)Ψˉα2(x2)}∣0⟩,dX=d4x1′ d4x2′ d4x1 d4x2,Φ=−p1′x1′−p2′x2′+p1x1+p2x2.(41.25)\begin{aligned} G_{\alpha_{2'}\alpha_{1'}\alpha_1\alpha_2} &=\langle0|T\{ \Psi_{\alpha_{2'}}(x_{2'}) \Psi_{\alpha_{1'}}(x_{1'}) \bar\Psi_{\alpha_1}(x_1) \bar\Psi_{\alpha_2}(x_2)\}|0\rangle,\\ dX&=d^4x_{1'}\,d^4x_{2'}\,d^4x_1\,d^4x_2,\\ \Phi&=-p_{1'}x_{1'}-p_{2'}x_{2'}+p_1x_1+p_2x_2. \end{aligned} \tag{41.25}

这个场次序来自刚才的逐腿约化:两条入腿先给出Ψˉ1,Ψˉ2\bar\Psi_1,\bar\Psi_2,再按1′,2′1',2'处理出腿,每次将新场放到时间序积左侧,最后便为Ψ2′Ψ1′Ψˉ1Ψˉ2\Psi_{2'}\Psi_{1'}\bar\Psi_1\bar\Psi_2。将四条边界式的系数和微分一起写出,所有外腿的转移核就是

R(1′,2′;1,2)=i4∫dX eiΦ [uˉ1′Dx1′]α1′[uˉ2′Dx2′]α2′×Gα2′α1′α1α2[D←x1u1]α1[D←x2u2]α2.(41.26)\begin{aligned} \mathcal R(1',2';1,2) ={}&i^4\int dX\,e^{i\Phi}\, [\bar u_{1'}\mathscr D_{x_{1'}}]_{\alpha_{1'}} [\bar u_{2'}\mathscr D_{x_{2'}}]_{\alpha_{2'}}\\ &\qquad\times G_{\alpha_{2'}\alpha_{1'}\alpha_1\alpha_2} [\overleftarrow{\mathscr D}_{x_1}u_1]_{\alpha_1} [\overleftarrow{\mathscr D}_{x_2}u_2]_{\alpha_2}. \end{aligned} \tag{41.26}

其中ui=usi(pi)u_i=u_{s_i}(\mathbf p_i)。各狄拉克微分作用于GG的相应坐标,外面已经写出的指数不参与这一步求导。矩阵指标的顺序由原来相乘的场决定:数值行、列旋量彼此可交换,奇场则保持式(41.25)中的顺序。四个ii分别来自四条边界差;也无需另补(2π)32ω(2\pi)^3 2\omega分母,因为波包采用普通d3pd^3p,模式投影的归一化已在第39节处理。要恢复完整平面波SS,还须加上式(41.24)的两项直接配对,并将其中的CjiC_{ji}换成式(41.2)的分布内积。

任意粒子数或含反粒子的过程可按同样步骤处理。保留原有外部算符的位置,依次采用四种替换:

bs,in†(p) ⟼ +i∫d4x Ψˉ(x)D←xus(p)eipx,bs,out(p) ⟼ +i∫d4x e−ipxuˉs(p)DxΨ(x),ds,in†(p) ⟼ −i∫d4x eipxvˉs(p)DxΨ(x),ds,out(p) ⟼ −i∫d4x Ψˉ(x)D←xvs(p)e−ipx.(41.27)\begin{aligned} b^\dagger_{s,{\rm in}}(\mathbf p) &\ \longmapsto\ +i\int d^4x\,\bar\Psi(x) \overleftarrow{\mathscr D}_x u_s(\mathbf p)e^{ipx},\\ b_{s,{\rm out}}(\mathbf p) &\ \longmapsto\ +i\int d^4x\,e^{-ipx}\bar u_s(\mathbf p)\mathscr D_x\Psi(x),\\ d^\dagger_{s,{\rm in}}(\mathbf p) &\ \longmapsto\ -i\int d^4x\,e^{ipx}\bar v_s(\mathbf p)\mathscr D_x\Psi(x),\\ d_{s,{\rm out}}(\mathbf p) &\ \longmapsto\ -i\int d^4x\,\bar\Psi(x) \overleftarrow{\mathscr D}_x v_s(\mathbf p)e^{-ipx}. \end{aligned} \tag{41.27}

这些箭头表示散射矩阵元中的约化积分,端点直接内积仍按式(41.22)保留,其中不同荷的配对为零。待外腿全部换入以后,对真空期望中的场作费米TT排序,并让各微分作用于整个时间序分布,就得到所需的关联函数。这里入、出下标分别对应遥远过去和遥远未来的渐近算符。

马约拉纳粒子为何有两种相同的写法

马约拉纳粒子没有独立的反粒子模式,场满足ds=bsd_s=b_s及Ψˉ=ΨTC\bar\Psi=\Psi^T\mathcal C。因此,上述四条外腿规则中,两条入腿应给出同一结果,两条出腿也应相同。第38节固定的数值旋量相位给出usTC=vˉsu_s^T\mathcal C=\bar v_s、vsTC=uˉsv_s^T\mathcal C=\bar u_s,可以据此直接联系两种写法。取任意可交换数值列ww,把唯一的奇场转置,逐项得到

ΨˉD←w=i(∂μΨT)Cγμw+mΨTCw=iwT(γμ)TCT∂μΨ+mwTCTΨ=wTC(i∂̸−m)Ψ=−wTCDΨ.(41.28)\begin{aligned} \bar\Psi\overleftarrow{\mathscr D}w &=i(\partial_\mu\Psi^T)\mathcal C\gamma^\mu w +m\Psi^T\mathcal Cw\\ &=i w^T(\gamma^\mu)^T\mathcal C^T\partial_\mu\Psi +m w^T\mathcal C^T\Psi\\ &=w^T\mathcal C(i\slashed\partial-m)\Psi =-w^T\mathcal C\mathscr D\Psi. \end{aligned} \tag{41.28}

第二行只交换了数值旋量与一个奇场,未交换两个奇场;负号来自CT=−C\mathcal C^T=-\mathcal C。导数项再用(γμ)TCT=Cγμ(\gamma^\mu)^T\mathcal C^T=\mathcal C\gamma^\mu,便合成最后一行的狄拉克算符。分别代入w=us,vsw=u_s,v_s,得到

+iΨˉD←us=−ivˉsDΨ,−iΨˉD←vs=+iuˉsDΨ.(41.29)+i\bar\Psi\overleftarrow{\mathscr D}u_s =-i\bar v_s\mathscr D\Psi,\qquad -i\bar\Psi\overleftarrow{\mathscr D}v_s =+i\bar u_s\mathscr D\Psi . \tag{41.29}

这就把式(41.27)的两条入腿、两条出腿分别联系起来。计算中可以选择场排列较方便的一种,但须保持这个奇插入在原乘积中的位置。马约拉纳作用量的1/21/2已在正则约束与模式归一化中处理,外部单粒子态仍采用式(41.2),所以外腿无需再乘半因子。

相互作用场应怎样归一化

以上边界运算使用了外部数值旋量的自由方程,而相互作用场保留在关联函数中。要让场的投影在渐近极限中产生指定的粒子,还需把它与单粒子态的重叠固定下来。这些重叠中,有些由对称性要求为零,另一些则决定场的归一化。

先看真空期望。令w=⟨0∣Ψ(0)∣0⟩w=\langle0|\Psi(0)|0\rangle,洛伦兹不变真空被MμνM^{\mu\nu}湮灭,故原点的场变换关系要求

Sμνw=⟨0∣[Ψ(0),Mμν]∣0⟩=0,S12=12(σ300σ3).(41.30)S^{\mu\nu}w=\langle0|[\Psi(0),M^{\mu\nu}]|0\rangle=0, \qquad S^{12}=\frac12 \begin{pmatrix}\sigma_3&0\\0&\sigma_3\end{pmatrix}. \tag{41.30}

由于S12S^{12}可逆,立即有w=0w=0;再用真空的平移不变性,便得⟨0∣Ψ(x)∣0⟩=0\langle0|\Psi(x)|0\rangle=0。这个论证只用到了旋量的洛伦兹变换,对没有狄拉克荷标签的马约拉纳场也适用。

对于带荷单粒子态,还可用荷守恒判断哪些重叠必为零。取Q∣0⟩=0Q|0\rangle=0、Q∣p,s,q⟩=q∣p,s,q⟩Q|p,s,q\rangle=q|p,s,q\rangle,将[Ψ,Q]=Ψ[\Psi,Q]=\Psi及[Ψˉ,Q]=−Ψˉ[\bar\Psi,Q]=-\bar\Psi放入相应矩阵元,得到

−q ⟨p,s,q∣Ψ(x)∣0⟩=⟨p,s,q∣[Ψ(x),Q]∣0⟩=⟨p,s,q∣Ψ(x)∣0⟩,−q ⟨p,s,q∣Ψˉ(x)∣0⟩=⟨p,s,q∣[Ψˉ(x),Q]∣0⟩=−⟨p,s,q∣Ψˉ(x)∣0⟩.(41.31)\begin{aligned} -q\,\langle p,s,q|\Psi(x)|0\rangle &=\langle p,s,q|[\Psi(x),Q]|0\rangle =\langle p,s,q|\Psi(x)|0\rangle,\\ -q\,\langle p,s,q|\bar\Psi(x)|0\rangle &=\langle p,s,q|[\bar\Psi(x),Q]|0\rangle =-\langle p,s,q|\bar\Psi(x)|0\rangle. \end{aligned} \tag{41.31}

当q=+1q=+1时,第一种重叠只能为零;当q=−1q=-1时,第二种重叠只能为零。剩下两个允许非零的重叠,取为单位旋量归一化。连同这两个由荷守恒给出的零式,可写成

⟨p,s,+∣Ψ(x)∣0⟩=0,⟨p,s,−∣Ψ(x)∣0⟩=vs(p)e−ipx,⟨p,s,+∣Ψˉ(x)∣0⟩=uˉs(p)e−ipx,⟨p,s,−∣Ψˉ(x)∣0⟩=0.(41.32)\begin{aligned} \langle\mathbf p,s,+|\Psi(x)|0\rangle&=0,\\ \langle\mathbf p,s,-|\Psi(x)|0\rangle&=v_s(\mathbf p)e^{-ipx},\\ \langle\mathbf p,s,+|\bar\Psi(x)|0\rangle&=\bar u_s(\mathbf p)e^{-ipx},\\ \langle\mathbf p,s,-|\bar\Psi(x)|0\rangle&=0. \end{aligned} \tag{41.32}

这里的指数由平移协变性确定:在Ψ(x)=e−iP⋅xΨ(0)eiP⋅x\Psi(x)=e^{-iP\cdot x}\Psi(0)e^{iP\cdot x}中,左矢是动量pp的本征态,真空动量为零。对第三行取厄米共轭再乘γ0\gamma^0,也可写成⟨0∣Ψ(x)∣p,s,+⟩=useipx\langle0|\Psi(x)|p,s,+\rangle=u_s e^{ipx},便于同自由场展开比较。

这一归一化的作用可直接从投影看出。把单位重叠代入波包产生算符的定义,得到

⟨q,r,+∣B†[f;t]∣0⟩=∑s∫d3p fs∫d3x ei(p−q)xuˉr(q)γ0us(p)=(2π)3 2ωqfr(q).(41.33)\begin{aligned} \langle\mathbf q,r,+|B^\dagger[f;t]|0\rangle &=\sum_s\int d^3p\,f_s \int d^3x\,e^{i(p-q)x}\bar u_r(\mathbf q)\gamma^0u_s(\mathbf p)\\ &=(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf q}f_r(\mathbf q). \end{aligned} \tag{41.33}

空间积分先给(2π)3δ3(p−q)(2\pi)^3\delta^3(\mathbf p-\mathbf q),再用ur†us=2ωqδrsu_r^\dagger u_s=2\omega_{\mathbf q}\delta_{rs};在p=q\mathbf p=\mathbf q处,时间相位也变成一。对d†d^\dagger用vr†vsv_r^\dagger v_s可得同一归一化。因此,这两个非零重叠使投影的单粒子分量具有既定的包归一化,也固定了约化外腿应带的数值系数。

接下来要说明在什么条件下可以把重叠写成这种形式。记Us(p)=⟨0∣Ψ(0)∣p,s,+⟩U_s(p)=\langle0|\Psi(0)|p,s,+\rangle、Vs(p)=⟨p,s,−∣Ψ(0)∣0⟩V_s(p)=\langle p,s,-|\Psi(0)|0\rangle。第39节的维格纳转动给出

D(Λ)Us(p)=∑rUr(Λp)wrs(Λ,p),D(Λ)Vs(p)=∑rVr(Λp)wrs(Λ,p)∗.\begin{aligned} D(\Lambda)U_s(p)&=\sum_rU_r(\Lambda p)w_{rs}(\Lambda,p),\\ D(\Lambda)V_s(p)&=\sum_rV_r(\Lambda p)w_{rs}(\Lambda,p)^*. \end{aligned}

第二行取左矢,转动矩阵随之复共轭。在静止系,D(R)=diag⁡(w,w)D(R)=\operatorname{diag}(w,w)。把两个自旋标签排成矩阵的两列,则UU的上下两块分别满足wA=AwwA=Aw。与σ3\sigma_3对易要求AA为对角阵,再与σ1\sigma_1对易要求两个对角元相等,每块因而独立地正比于I2I_2。VV的每块则满足wA=Aw∗wA=Aw^*;由wE=Ew∗wE=Ew^*,AE−1AE^{-1}与ww对易,故该块正比于EE。沿用第38节的es,ηs=Eese_s,\eta_s=Ee_s,可写成

Us(0)=m(aesbes),Vs(0)=m(cηs−dηs).U_s(0)=\sqrt m\begin{pmatrix}ae_s\\be_s\end{pmatrix},\qquad V_s(0)=\sqrt m\begin{pmatrix}c\eta_s\\-d\eta_s\end{pmatrix}.

标准推动L(p)L(p)从静止动量出发时,其维格纳转动为单位矩阵。将上式乘D(p)D(p),并用左右投影与D(p)D(p)对易,便得到正规正时洛伦兹协变性允许的通式:

Us(p)=(aPL+bPR)us(p),Vs(p)=(cPL+dPR)vs(p).(41.34)U_s(p)=(aP_L+bP_R)u_s(p),\qquad V_s(p)=(cP_L+dP_R)v_s(p). \tag{41.34}

左右外尔块各有一个常数,洛伦兹协变性本身并不要求a=ba=b。例如,把归一的自由场改为Φ=eiθγ5Ψ\Phi=e^{i\theta\gamma_5}\Psi,两个手征块的重叠分别乘上e−iθe^{-i\theta}和eiθe^{i\theta},一个整体常数就无法同时将它们变成一。要用一个整体尺度归一化,还须有进一步的条件把左右两块联系起来。

本节末尾由标量双线性量构成的实耦合四费米例,可以采用更具体的对称设置:P,CP,C按第40节的方式实现,对称性和真空都不破缺,所选稳定粒子的宇称相位与插值场相容。由P∣p,s,±⟩=i∣−p,s,±⟩P|p,s,\pm\rangle=i|-\mathbf p,s,\pm\rangle及P−1ΨP=iβΨP^{-1}\Psi P=i\beta\Psi,两种矩阵元分别满足

Us(−p)=βUs(p),Vs(−p)=−βVs(p).U_s(-\mathbf p)=\beta U_s(\mathbf p),\qquad V_s(-\mathbf p)=-\beta V_s(\mathbf p).

第二式的额外负号来自左矢中ii的复共轭。在静止系,β\beta交换上下块,第一式要求a=ba=b,第二式要求c=dc=d。再取C∣p,s,+⟩=∣p,s,−⟩C|p,s,+\rangle=|p,s,-\rangle,由第40节的场变换得到

Vs(p)=⟨p,s,+∣C−1Ψ(0)C∣0⟩=CUˉs(p)T,Uˉs(p)=uˉs(p)(a∗PR+b∗PL),Vs(p)=(b∗PL+a∗PR)vs(p).\begin{aligned} V_s(p)&=\langle p,s,+|C^{-1}\Psi(0)C|0\rangle =\mathcal C\bar U_s(p)^T,\\ \bar U_s(p)&=\bar u_s(p)(a^*P_R+b^*P_L),\\ V_s(p)&=(b^*P_L+a^*P_R)v_s(p). \end{aligned}

取狄拉克伴随时β\beta交换左右投影,故电荷共轭联系的是c=b∗c=b^*、d=a∗d=a^*。合并宇称条件,得到

a=b,c=d=a∗.(41.35)a=b,\qquad c=d=a^*. \tag{41.35}

把两荷态共同乘e−iarg⁡ae^{-i\arg a},UsU_s的系数变成∣a∣|a|,VsV_s的系数也变成∣a∣|a|,两态的CC关系保持。记R=∣a∣2>0R=|a|^2>0,再令Ψnew=Ψold/R\Psi_{\rm new}=\Psi_{\rm old}/\sqrt R,便得到式(41.32)。在一般仅有U(1)U(1)的模型中,则要保留左右块留数,或先作合适的插值场重定;这里用于联系两荷通道的CC对称性也须另行满足。

对于已经选好单位重叠的马约拉纳场,有

⟨0∣Ψ(x)∣0⟩=0,⟨p,s∣Ψ(x)∣0⟩=vs(p)e−ipx,⟨p,s∣Ψˉ(x)∣0⟩=uˉs(p)e−ipx.(41.36)\begin{aligned} \langle0|\Psi(x)|0\rangle&=0,\\ \langle\mathbf p,s|\Psi(x)|0\rangle&=v_s(\mathbf p)e^{-ipx},\\ \langle\mathbf p,s|\bar\Psi(x)|0\rangle&=\bar u_s(\mathbf p)e^{-ipx}. \end{aligned} \tag{41.36}

将第二行转置,并在右侧乘C\mathcal C,用vsTC=uˉsv_s^T\mathcal C=\bar u_s即可得到第三行。这里不再有两种独立的荷态。马约拉纳实条件联系场的两个频率支,左右块重叠的选择仍须与式(41.34)所说明的条件相容。

四费米例中的三个归一条件

场的重标度会相应改变拉格朗日量的系数。以四费米相互作用为例,写出

L=iZΨˉ∂̸Ψ−ZmmΨˉΨ−14Zgg(ΨˉΨ)2.(41.37)\mathcal L =iZ\bar\Psi\slashed\partial\Psi -Z_m m\bar\Psi\Psi -\frac14 Z_g g(\bar\Psi\Psi)^2. \tag{41.37}

其中mm是所选稳定粒子的物理质量,gg由指定运动学条件下的散射量定义,具体条件在使用模型时选定。前因子1/41/4是定义gg时采用的规范,而ZZ调到单位单粒子重叠。三类系数分别服务于质量、耦合和外腿归一化,须由相应条件确定;自由方程并不将它们预先约束成同一个数。

在保留调节的模型中,场与参数怎样一同变化可以直接写出。设原场为χ\chi,动能系数为一,质量和四费米系数为m0,g0m_0,g_0,标量单粒子重叠为R\sqrt R。作重标度χ=R Ψ\chi=\sqrt R\,\Psi后,每个双线性量带来一个RR,因此

L=iRΨˉ∂̸Ψ−Rm0ΨˉΨ−14R2g0(ΨˉΨ)2,Z=R,Zmm=Rm0,Zgg=R2g0.(41.38)\begin{aligned} \mathcal L &=iR\bar\Psi\slashed\partial\Psi -Rm_0\bar\Psi\Psi -\frac14R^2g_0(\bar\Psi\Psi)^2,\\ Z&=R,\qquad Z_m m=Rm_0,\qquad Z_g g=R^2g_0. \end{aligned} \tag{41.38}

物理质量mm包含相互作用修正,故m0m_0与mm一般不同;由散射量定义的gg也不必等于g0g_0。若模型还保留其他有效算符,它们同样按所含场的数目重标度。

守恒流也随场定义改变。对局部相位变分δΨ=−iα(x)Ψ\delta\Psi=-i\alpha(x)\Psi、δΨˉ=+iα(x)Ψˉ\delta\bar\Psi=+i\alpha(x)\bar\Psi,无导数的质量项和四费米项不产生∂μα\partial_\mu\alpha。动能项的变分则有两部分,不含∂α\partial\alpha的项彼此抵消,只剩

δL=Z(∂μα)ΨˉγμΨ,jμ=ZΨˉγμΨ.(41.39)\delta\mathcal L =Z(\partial_\mu\alpha)\bar\Psi\gamma^\mu\Psi, \qquad j^\mu=Z\bar\Psi\gamma^\mu\Psi. \tag{41.39}

在这个受调节的一阶拉氏量中,正则动量为iZΨ†iZ\Psi^\dagger,约束消元相应给出{Ψα(x),Ψβ†(y)}=Z−1δαβδ3(x−y)\{\Psi_\alpha(\mathbf x),\Psi_\beta^\dagger(\mathbf y)\} =Z^{-1}\delta_{\alpha\beta}\delta^3(\mathbf x-\mathbf y)。将它与流中的系数一起代入,并作相容的真空减除,荷对场的生成作用为

Q=Z∫d3y Ψ†(y)Ψ(y),[Q,Ψα(x)]=−Z∫d3y Z−1δ3(x−y)Ψα(y)=−Ψα(x).(41.40)\begin{aligned} Q&=Z\int d^3y\,\Psi^\dagger(\mathbf y)\Psi(\mathbf y),\\ [Q,\Psi_\alpha(\mathbf x)] &=-Z\int d^3y\,Z^{-1}\delta^3(\mathbf x-\mathbf y) \Psi_\alpha(\mathbf y) =-\Psi_\alpha(\mathbf x). \end{aligned} \tag{41.40}

两处重标度因子抵消,故式(41.31)中的荷选择关系保持不变。如果相互作用还包含场导数,它们也须通过局部相位变分贡献于守恒流。

在四维,[Ψ]=3/2[\Psi]=3/2,从而[(ΨˉΨ)2]=6[(\bar\Psi\Psi)^2]=6、[g]=−2[g]=-2。按第18节的计幂与第29节的有效理论,高阶修正会产生更多高维及导数算符。因此,式(41.37)适合作为有截止或已指定低能展开阶数的归一化例子,更高阶项各有相应的反项系数。在这个范围内,质量、耦合及场归一条件确定后,散射计算便归结为求⟨0∣T{Ψ⋯Ψˉ⋯ }∣0⟩\langle0|T\{\Psi\cdots\bar\Psi\cdots\}|0\rangle。下一节从自由费米子传播子开始建立计算这些关联函数的工具。


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文章标题:Srednicki §41 自旋二分之一粒子的 LSZ 约化

文章作者:Whitney

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