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文章笔记

Srednicki §50 无质量粒子与旋量螺旋度

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系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇

在第48节计算截面时,我们先对外旋量求和,把振幅平方化为gamma矩阵的迹, 最后再取高能极限。所得结果比计算过程简单得多。 如果一开始就把质量设为零,就有希望同时简化计算过程。 第38节的螺旋度投影已经提供了线索:在外尔表示中,无质量外旋量只有两个非零分量。 我们将利用这个性质,直接化简尚未平方的固定螺旋度振幅。 由此得到的方法称为旋量螺旋度方法(spinor-helicity method)。 本节先考虑费米子与标量的散射;第60节将把它用于自旋一粒子。

以下取pμ=(ω,p)p^\mu=(\omega,\mathbf p),其中ω=∣p∣>0\omega=|\mathbf p|>0。 将无质量结果用于有质量理论的高能近似时, 须使各个相关曼德尔斯塔姆变量的绝对值远大于质量平方。 固定角散射满足这一要求;若某个方向使内线分母变小,原来略去的质量项 便可能重新起作用。我们将在最后的角分布中看到这个区别。

螺旋度投影与二分量旋量

仍用σ=±1\sigma=\pm1表示螺旋度h=σ/2h=\sigma/2。 为了保留每种螺旋度的信息,我们从单个外旋量的投影矩阵出发。 第38节的无质量极限给出

uσ(p)uˉσ(p)=12(1+σγ5)(−p̸),vσ(p)vˉσ(p)=12(1−σγ5)(−p̸).(50.1)\begin{aligned} u_\sigma(p)\bar u_\sigma(p) &=\frac12(1+\sigma\gamma_5)(-\slashed p),\\ v_\sigma(p)\bar v_\sigma(p) &=\frac12(1-\sigma\gamma_5)(-\slashed p). \end{aligned} \tag{50.1}

粒子旋量uσu_\sigma的手征为σ\sigma,反粒子旋量vσv_\sigma则处在相反的手征块。 比较两式可知,vσv_\sigma与u−σu_{-\sigma}只差一个相位; 沿第38节的选择可令这个相位为一,因此只需构造两种uu旋量。 先选负螺旋度,γ5u−=−u−\gamma_5u_-=-u_-。 为把投影式写成二分量形式,引入动量矩阵

paa˙=pμσaa˙μ,pa˙a=εacεa˙c˙pcc˙=pμσˉμa˙a.(50.2)\begin{aligned} p_{a\dot a}&=p_\mu\sigma^\mu_{a\dot a},\\ p^{\dot a a} &=\varepsilon^{ac}\varepsilon^{\dot a\dot c}p_{c\dot c} =p_\mu\bar\sigma^{\mu\dot a a}. \end{aligned} \tag{50.2}

沿既有约定,σμ=(I,σ)\sigma^\mu=(I,\boldsymbol\sigma)、 σˉμ=(I,−σ)\bar\sigma^\mu=(I,-\boldsymbol\sigma),且 γμ=(0σμσˉμ0)\gamma^\mu=\left(\begin{smallmatrix}0&\sigma^\mu\\ \bar\sigma^\mu&0\end{smallmatrix}\right)、 PL=(1−γ5)/2=diag⁡(I2,0)P_L=(1-\gamma_5)/2=\operatorname{diag}(I_2,0)。 投影矩阵只留下上面两行,因而

u−uˉ−=PL(−p̸)=(0−paa˙00).(50.3)u_-\bar u_-=P_L(-\slashed p) =\begin{pmatrix}0&-p_{a\dot a}\\0&0\end{pmatrix}. \tag{50.3}

u−u_-的下半列为零,便可用一列二分量旋量ϕa\phi_a表示它。 取狄拉克共轭时还要乘β=γ0\beta=\gamma^0,非零的块随之移到右边:

u−(p)=(ϕa0),uˉ−(p)=(0ϕa˙∗),ϕa˙∗=(ϕa)∗.(50.4)u_-(p)=\begin{pmatrix}\phi_a\\0\end{pmatrix},\qquad \bar u_-(p)=\begin{pmatrix}0&\phi^*_{\dot a}\end{pmatrix}, \qquad \phi^*_{\dot a}=(\phi_a)^*. \tag{50.4}

ϕa\phi_a的分量是彼此对易的普通复数,本节把这样的动量旋量称为扭量(twistor)。 其归一直接继承自外态:u−†u−=2ωu_-^\dagger u_-=2\omega给出 ϕ†ϕ=2ω\phi^\dagger\phi=2\omega,所以[ϕ]=1/2[\phi]=1/2。 现在将上式的列与行相乘,唯一的非零块为ϕaϕa˙∗\phi_a\phi^*_{\dot a}。 再与式(50.3)比较,便得到本节最基本的关系

paa˙=−ϕaϕa˙∗.(50.5)p_{a\dot a}=-\phi_a\phi^*_{\dot a}. \tag{50.5}

这个外积把四动量分解成一列旋量与其共轭行的乘积。 因此,ϕ\phi不仅给出外腿的自旋波函数,也包含了它的动量。 先求出ϕ\phi,就可以同时用它表示外旋量和振幅中出现的动量矩阵。

显式角度公式及另一种螺旋度

先把这列旋量具体求出来。将三动量方向写成 p^=(sin⁡θcos⁡ϕaz,sin⁡θsin⁡ϕaz,cos⁡θ)\hat{\mathbf p}=(\sin\theta\cos\phi_{\rm az}, \sin\theta\sin\phi_{\rm az},\cos\theta); ϕaz\phi_{\rm az}是方位角,用下标与旋量ϕa\phi_a区分。 无质量狄拉克方程p̸ u−=0\slashed p\,u_-=0的下半块给出 (I+p^⋅σ)ϕ=0(I+\hat{\mathbf p}\cdot\boldsymbol\sigma)\phi=0。 它的第一行是

(1+cos⁡θ)ϕ1+sin⁡θ e−iϕazϕ2=0.(50.6)(1+\cos\theta)\phi_1 +\sin\theta\,e^{-i\phi_{\rm az}}\phi_2=0. \tag{50.6}

当θ≠π\theta\ne\pi时, ϕ1=−e−iϕaztan⁡(θ/2)ϕ2\phi_1=-e^{-i\phi_{\rm az}}\tan(\theta/2)\phi_2。 取ϕ2\phi_2为非负实数,再使用ϕ†ϕ=2ω\phi^\dagger\phi=2\omega, 便得到显式表达式

ϕ(p)=2ω(−sin⁡(θ/2)e−iϕazcos⁡(θ/2)).(50.7)\phi(p)=\sqrt{2\omega} \begin{pmatrix} -\sin(\theta/2)e^{-i\phi_{\rm az}}\\ \cos(\theta/2) \end{pmatrix}. \tag{50.7}

代入第二行方程,再用sin⁡θ=2sin⁡(θ/2)cos⁡(θ/2)\sin\theta=2\sin(\theta/2)\cos(\theta/2), 也得到零,因此两个分量方程相容。 下文将直接计算外积,并从有质量旋量的推动公式求出θ=0\theta=0的极限。 接着求另一种螺旋度。这里要用到升指标矩阵

U=(εab)=(01−10),(ϕ1ϕ2)=U(ϕ1ϕ2),(ϕ∗1˙ϕ∗2˙)=U(ϕ1˙∗ϕ2˙∗).(50.8)U=(\varepsilon^{ab}) =\begin{pmatrix}0&1\\-1&0\end{pmatrix},\qquad \binom{\phi^1}{\phi^2}=U\binom{\phi_1}{\phi_2},\qquad \binom{\phi^{*\dot1}}{\phi^{*\dot2}} =U\binom{\phi^*_{\dot1}}{\phi^*_{\dot2}}. \tag{50.8}

由电荷共轭关系取u+=Cuˉ−Tu_+=\mathcal C\bar u_-^T,其非零块为Uϕ∗U\phi^*。 于是两种螺旋度可以由同一列ϕ\phi表示:

u+(p)=(0ϕ∗a˙)=2ω(00cos⁡(θ/2)sin⁡(θ/2)eiϕaz),uˉ+(p)=(ϕa0).(50.9)\begin{aligned} u_+(p) &=\begin{pmatrix}0\\\phi^{*\dot a}\end{pmatrix} =\sqrt{2\omega} \begin{pmatrix} 0\\0\\ \cos(\theta/2)\\ \sin(\theta/2)e^{i\phi_{\rm az}} \end{pmatrix},\\ \bar u_+(p)&=\begin{pmatrix}\phi^a&0\end{pmatrix}. \end{aligned} \tag{50.9}

最后一行中的ϕa\phi^a按行排列,即(Uϕ)T=ϕTUT(U\phi)^T=\phi^TU^T; 直接将u+u_+取厄米共轭再乘β\beta,也会得到这行旋量。 再作一次电荷共轭,有Cuˉ+T=u−\mathcal C\bar u_+^T=u_-, 因而两种选择确实同时满足v−=u+v_-=u_+、v+=u−v_+=u_-,且归一均为2ω2\omega。 它们应当描述同一个动量。为此计算正螺旋度的外积:

u+uˉ+=(00ϕ∗a˙ϕa0),pa˙a=−ϕ∗a˙ϕa.(50.10)\begin{aligned} u_+\bar u_+ &=\begin{pmatrix}0&0\\ \phi^{*\dot a}\phi^a&0\end{pmatrix},\\ p^{\dot a a}&=-\phi^{*\dot a}\phi^a . \end{aligned} \tag{50.10}

非零块移到了左下,正好是12(1+γ5)(−p̸)\frac12(1+\gamma_5)(-\slashed p)。 要看清这个比较中的指标次序,可把paa˙p_{a\dot a}记成矩阵PP。 升指标后的pa˙ap^{\dot a a}以点指标为行,故其矩阵为UPTUTUP^TU^T: 两个UU分别升起两个指标,而转置把点指标移到前面。 上下两个块由此给出同一个四动量的两种表示。

动量因子分解的唯一性

上面是从已知的外旋量得到动量分解。反过来,给定无质量四动量, 也应该能从动量矩阵找回ϕ\phi。为说明这一点,将式(50.2)中的矩阵写开:

P=pμσμ=(−p0+p3p1−ip2p1+ip2−p0−p3).(50.11)P=p_\mu\sigma^\mu =\begin{pmatrix} -p^0+p^3&p^1-ip^2\\ p^1+ip^2&-p^0-p^3 \end{pmatrix}. \tag{50.11}

实四动量使它为厄米矩阵,其行列式为

det⁡P=(−p0+p3)(−p0−p3)−(p1−ip2)(p1+ip2)=(p0)2−(p1)2−(p2)2−(p3)2=−p2.(50.12)\begin{aligned} \det P &=(-p^0+p^3)(-p^0-p^3) -(p^1-ip^2)(p^1+ip^2)\\ &=(p^0)^2-(p^1)^2-(p^2)^2-(p^3)^2=-p^2 . \end{aligned} \tag{50.12}

由于p^⋅σ\hat{\mathbf p}\cdot\boldsymbol\sigma的本征值为±1\pm1, 对于p0=∣p∣=ω>0p^0=|\mathbf p|=\omega>0, P=−ωI+p⋅σP=-\omega I+\mathbf p\cdot\boldsymbol\sigma的两个本征值因此是0,−2ω0,-2\omega。 若χ−\chi_-是非零本征值所属的单位列向量,谱分解给

P=−2ω χ−χ−†=−ϕϕ†,ϕ=2ω χ−.(50.13)P=-2\omega\,\chi_-\chi_-^\dagger =-\phi\phi^\dagger,\qquad \phi=\sqrt{2\omega}\,\chi_- . \tag{50.13}

这样,分解的负号来自负的非零本征值,归一来自它的绝对值。 若另有一列ψ\psi满足P=−ψψ†P=-\psi\psi^\dagger, 两个外积的像都是PP的同一条非零本征直线,故ψ=cϕ\psi=c\phi。 比较迹便得∣c∣2=1|c|^2=1,所以唯一自由度是整体相位。

反过来,给定任意非零复列ϕ\phi,−ϕϕ†-\phi\phi^\dagger必为秩一负半定矩阵。 用P=−p0I+p⋅σP=-p^0I+\mathbf p\cdot\boldsymbol\sigma展开,得到

p0=12ϕ†ϕ>0,pj=−12ϕ†σjϕ,p2=0.(50.14)p^0=\frac12\phi^\dagger\phi>0,\qquad p^j=-\frac12\phi^\dagger\sigma_j\phi,\qquad p^2=0 . \tag{50.14}

后一个等式由det⁡P=0\det P=0保证。 两个复分量包含四个实参数,除去不改变动量的一个相位后, 恰好留下正能无质量壳的三个参数。

能量支在这个结论中起作用。过去指向的pp使PP的非零本征值为正, 应写成正的外积,不能仍令P=−ϕϕ†P=-\phi\phi^\dagger。 p=0p=0则对应ϕ=0\phi=0,没有可定义的螺旋度方向。 这说明正能条件是分解本身的一部分。下文将分别写出两条能量支的完整性关系。

在式(50.7)的角度公式中,θ=0\theta=0时相位与方位角无关, θ=π\theta=\pi时第一分量却仍含e−iϕaze^{-i\phi_{\rm az}}。 若要在南极附近连续选取相位,可改用 ϕS=eiϕazϕ\phi_S=e^{i\phi_{\rm az}}\phi, 其两分量为2ω(−sin⁡(θ/2),eiϕazcos⁡(θ/2))\sqrt{2\omega}(-\sin(\theta/2), e^{i\phi_{\rm az}}\cos(\theta/2))。 两个表达在重叠区域相差一个相位,外积仍给出完全相同的PP。 下面引入的括号会记住这种相位选择,而由它们求出的截面则与选择无关。

方括号与尖括号

振幅中的旋量指标最终都要缩并。既然每条外腿已用ϕ\phi表示, 下一步便是为这些二分量缩并引入简短的记号。 取动量p,kp,k所对应的扭量为ϕ,κ\phi,\kappa, 先定义方括号

[p k]:=ϕaκa=ϕ2κ1−ϕ1κ2.(50.15)[p\,k]:=\phi^a\kappa_a =\phi_2\kappa_1-\phi_1\kappa_2. \tag{50.15}

交换ϕ,κ\phi,\kappa时,普通复数分量可以直接换序, 反对称的ε\varepsilon矩阵却给出一个负号。因此

[k p]=−[p k],[p p]=0.(50.16)[k\,p]=-[p\,k],\qquad [p\,p]=0. \tag{50.16}

由uˉ+=(ϕa,0)\bar u_+=(\phi^a,0)与u−=(κa,0)Tu_-=(\kappa_a,0)^T可见, 方括号正是四分量乘积uˉ+(p)u−(k)\bar u_+(p)u_-(k)。 交换两种螺旋度后,乘积将涉及带点的共轭分量; 为此再定义尖括号

⟨p k⟩:=ϕa˙∗κ∗a˙=ϕ1∗κ2∗−ϕ2∗κ1∗.(50.17)\langle p\,k\rangle :=\phi^*_{\dot a}\kappa^{*\dot a} =\phi_1^*\kappa_2^*-\phi_2^*\kappa_1^*. \tag{50.17}

把它与方括号的分量式逐项比较,便有

⟨p k⟩=[k p]∗=−[p k]∗,⟨k p⟩=−⟨p k⟩.(50.18)\langle p\,k\rangle=[k\,p]^*=-[p\,k]^*,\qquad \langle k\,p\rangle=-\langle p\,k\rangle . \tag{50.18}

共轭关系中反转了方括号的次序,这个约定决定了后面内积公式的符号。 两种括号都是洛伦兹不变的旋量缩并,质量维数均为一。 现在可以把四种标量乘积一起写出:

uˉ+(p)u−(k)=[p k],uˉ−(p)u+(k)=⟨p k⟩,uˉ+(p)u+(k)=0,uˉ−(p)u−(k)=0.(50.19)\begin{aligned} \bar u_+(p)u_-(k)&=[p\,k],& \bar u_-(p)u_+(k)&=\langle p\,k\rangle,\\ \bar u_+(p)u_+(k)&=0,& \bar u_-(p)u_-(k)&=0 . \end{aligned} \tag{50.19}

最后两式的行、列各自只占据相反的外尔块,所以相乘为零。 至此,四分量外旋量的标量乘积都已化为括号或零。 不过动量只决定ϕ\phi到一个相位,因而括号也随这个选择而变。 若重新选取ϕ(p)↦eiαpϕ(p)\phi(p)\mapsto e^{i\alpha_p}\phi(p),则

[p k]↦ei(αp+αk)[p k],⟨p k⟩↦e−i(αp+αk)⟨p k⟩.(50.20)[p\,k]\mapsto e^{i(\alpha_p+\alpha_k)}[p\,k],\qquad \langle p\,k\rangle\mapsto e^{-i(\alpha_p+\alpha_k)}\langle p\,k\rangle. \tag{50.20}

当它们出现在振幅中时,这些因子应当恰好组成外腿的相位。 在求截面之前检查这一点,也可以帮助我们发现括号次序或共轭上的错误。

括号乘积与四动量内积

括号的模应该只由动量决定。将一个尖括号与一个反序方括号相乘, 正好可以重新组合出两个动量矩阵:

⟨p k⟩[k p]=(ϕa˙∗κ∗a˙)(κaϕa)=(ϕaϕa˙∗)(κ∗a˙κa)=paa˙ka˙a=tr⁡ ⁣[(pμσμ)(kνσˉν)].(50.21)\begin{aligned} \langle p\,k\rangle[k\,p] &=(\phi^*_{\dot a}\kappa^{*\dot a}) (\kappa^a\phi_a)\\ &=(\phi_a\phi^*_{\dot a}) (\kappa^{*\dot a}\kappa^a)\\ &=p_{a\dot a}k^{\dot a a} =\operatorname{tr}\!\left[ (p_\mu\sigma^\mu)(k_\nu\bar\sigma^\nu)\right]. \end{aligned} \tag{50.21}

其中交换的都是普通复数分量。 两个动量分解各带一个负号,相乘后抵消; 第二个矩阵以点指标为行,因而矩阵迹正好完成所需的缩并。 再用tr⁡I=2\operatorname{tr}I=2、 tr⁡σi=0\operatorname{tr}\sigma_i=0、 tr⁡(σiσj)=2δij\operatorname{tr}(\sigma_i\sigma_j)=2\delta_{ij}展开,便得

⟨p k⟩[k p]=tr⁡[(−p0I+p⋅σ)(−k0I−k⋅σ)]=2p0k0−2p⋅k=−2p⋅k,∣[p k]∣2=∣⟨p k⟩∣2=−2p⋅k=2ωpωk(1−cos⁡θpk).(50.22)\begin{aligned} \langle p\,k\rangle[k\,p] &=\operatorname{tr} [(-p^0I+\mathbf p\cdot\boldsymbol\sigma) (-k^0I-\mathbf k\cdot\boldsymbol\sigma)]\\ &=2p^0k^0-2\mathbf p\cdot\mathbf k=-2p\cdot k,\\ |[p\,k]|^2=|\langle p\,k\rangle|^2 &=-2p\cdot k =2\omega_p\omega_k(1-\cos\theta_{pk}). \end{aligned} \tag{50.22}

最后一行还用了⟨p k⟩=[k p]∗\langle p\,k\rangle=[k\,p]^*。 正能类光四动量的内积非正,因此右边确为非负。 两括号在动量平行时为零;在其他方向,它们的模由能量和夹角决定。 例如让pp沿正zz轴,让kk的极角为θ\theta、方位角为ϕaz\phi_{\rm az}, 将式(50.7)的两列直接相乘,得到

[p k]=−2ωpωksin⁡θ2 e−iϕaz,⟨p k⟩=2ωpωksin⁡θ2 eiϕaz.(50.23)\begin{aligned} {}[p\,k]&=-2\sqrt{\omega_p\omega_k} \sin\frac\theta2\,e^{-i\phi_{\rm az}},\\ \langle p\,k\rangle&=2\sqrt{\omega_p\omega_k} \sin\frac\theta2\,e^{i\phi_{\rm az}} . \end{aligned} \tag{50.23}

因子22来自两条外腿各自的2ω\sqrt{2\omega}归一。 取模平方后,方位角相位消去,再用 4sin⁡2(θ/2)=2(1−cos⁡θ)4\sin^2(\theta/2)=2(1-\cos\theta)就回到式(50.22)。 这同时说明括号中哪些信息会留在截面中,哪些只反映外旋量的相位选择。

电子与标量的固定螺旋度振幅

现在把这些关系用于散射过程 e−(p)φ(k)→e−(p′)φ(k′)e^-(p)\varphi(k)\to e^-(p')\varphi(k')。 相互作用仍为第45节的gφΨˉΨg\varphi\bar\Psi\Psi,但同时令m=M=0m=M=0。 两幅树图分别交换动量为p+kp+k和p−k′p-k'的费米子。 把顶角和内线因子相乘,得到树级振幅

Tσ′σ=g2uˉσ′(p′)[−p̸−k̸(p+k)2−i0+−p̸+k̸′(p−k′)2−i0]uσ(p).(50.24)\mathcal T_{\sigma'\sigma} =g^2\bar u_{\sigma'}(p') \left[ \frac{-\slashed p-\slashed k}{(p+k)^2-i0} +\frac{-\slashed p+\slashed k'}{(p-k')^2-i0} \right]u_\sigma(p). \tag{50.24}

我们只保留振幅的g2g^2阶,并先取分母不为零的实运动学。 两张图的内动量和相对号已在第45节导出。 要把分子化为括号,先利用右外腿的在壳关系p̸ uσ(p)=0\slashed p\,u_\sigma(p)=0。 而p2=k2=k′2=0p^2=k^2=k'^2=0给(p+k)2=2p⋅k(p+k)^2=2p\cdot k、 (p−k′)2=−2p⋅k′(p-k')^2=-2p\cdot k'。 第二项的分子与分母同时提出负号,振幅化为

Tσ′σ=g2[uˉσ′(p′)(−k̸)uσ(p)2p⋅k+uˉσ′(p′)(−k̸′)uσ(p)2p⋅k′].(50.25)\mathcal T_{\sigma'\sigma} =g^2\left[ \frac{\bar u_{\sigma'}(p')(-\slashed k)u_\sigma(p)} {2p\cdot k} +\frac{\bar u_{\sigma'}(p')(-\slashed k')u_\sigma(p)} {2p\cdot k'} \right]. \tag{50.25}

这样,分子只剩下两个标量的动量。 虽然kk和k′k'都属于标量外腿,我们仍可为这两个类光动量各选一列二分量旋量。 由前面的动量分解,−k̸-\slashed k成为

−k̸=(0κaκa˙∗κ∗a˙κa0).(50.26)-\slashed k= \begin{pmatrix} 0&\kappa_a\kappa^*_{\dot a}\\ \kappa^{*\dot a}\kappa^a&0 \end{pmatrix}. \tag{50.26}

对于入、出均为正螺旋度的情形,右列u+(p)u_+(p)在下块, 左行uˉ+(p′)\bar u_+(p')在上块,因而选出右上块:

uˉ+(p′)(−k̸)u+(p)=ϕ′aκa κa˙∗ϕ∗a˙=[p′ k]⟨k p⟩,uˉ−(p′)(−k̸)u−(p)=ϕa˙′∗κ∗a˙ κaϕa=⟨p′ k⟩[k p].(50.27)\begin{aligned} \bar u_+(p')(-\slashed k)u_+(p) &=\phi'{}^a\kappa_a\, \kappa^*_{\dot a}\phi^{*\dot a} =[p'\,k]\langle k\,p\rangle,\\ \bar u_-(p')(-\slashed k)u_-(p) &=\phi'^*_{\dot a}\kappa^{*\dot a}\, \kappa^a\phi_a =\langle p'\,k\rangle[k\,p]. \end{aligned} \tag{50.27}

第二行选出左下块,按同样的矩阵次序完成缩并。 若初末螺旋度相反,非零的行、列就会选到−k̸-\slashed k的对角块, 因而

uˉ+(p′)(−k̸)u−(p)=uˉ−(p′)(−k̸)u+(p)=0.(50.28)\bar u_+(p')(-\slashed k)u_-(p) =\bar u_-(p')(-\slashed k)u_+(p)=0. \tag{50.28}

将kk换为k′k',上述四个矩阵元仍按相同方式计算。 现在分子已经是括号乘积,分母的动量内积也可用 式(50.22)改写。保留反对称括号的次序,有

2p⋅k=−[p k]⟨k p⟩=−⟨p k⟩[k p].(50.29)2p\cdot k =-[p\,k]\langle k\,p\rangle =-\langle p\,k\rangle[k\,p]. \tag{50.29}

将它分别代入式(50.27), 第一个分式变成−[p′ k]/[p k]-[p'\,k]/[p\,k], 第二个分式变成−⟨p′ k⟩/⟨p k⟩-\langle p'\,k\rangle/\langle p\,k\rangle。 对k′k'重复这一步,便得到固定螺旋度振幅

T++=−g2([p′ k][p k]+[p′ k′][p k′]),T−−=−g2(⟨p′ k⟩⟨p k⟩+⟨p′ k′⟩⟨p k′⟩),T+−=T−+=0.(50.30)\begin{aligned} \mathcal T_{++} &=-g^2\left(\frac{[p'\,k]}{[p\,k]} +\frac{[p'\,k']}{[p\,k']}\right),\\ \mathcal T_{--} &=-g^2\left(\frac{\langle p'\,k\rangle}{\langle p\,k\rangle} +\frac{\langle p'\,k'\rangle}{\langle p\,k'\rangle}\right),\\ \mathcal T_{+-}&=\mathcal T_{-+}=0 . \end{aligned} \tag{50.30}

原来的两条gamma链由此变成了两个括号比值, 每项的质量维数为零,符合四维树幅的要求。 对当前相互作用,这两幅图在无质量极限保持电子的螺旋度; 翻转幅消失的原因正是式(50.26)的块结构。 此外,两种非零幅并不独立。在实正能动量及实gg下, 尖括号等于反序方括号的共轭, 而一个比值中的两个反序负号抵消,故 T−−=T++∗\mathcal T_{--}=\mathcal T_{++}^*。 各动量旋量重定相时,kk、k′k'的相位在每个比值中约去,剩下

T++↦ei(αp′−αp)T++,T−−↦e−i(αp′−αp)T−−.(50.31)\mathcal T_{++}\mapsto e^{i(\alpha_{p'}-\alpha_p)}\mathcal T_{++},\qquad \mathcal T_{--}\mapsto e^{-i(\alpha_{p'}-\alpha_p)}\mathcal T_{--}. \tag{50.31}

它们恰好等于uˉσ′(p′)\bar u_{\sigma'}(p')与uσ(p)u_\sigma(p)带来的相位。 因此用于表示标量动量的辅助旋量相位已经消去, 电子外腿的剩余相位也将在振幅平方中消去。

从螺旋度幅得到高能截面

括号形式已经简化了固定螺旋度幅,但还没有把散射角显式写出来。 下面补算质心系中的角分布,并与第48节的结果比较。 取能量E>0E>0,散射平面为xzxz平面:

p=(E,0,0,E),k=(E,0,0,−E),p′=(E,Esin⁡θ,0,Ecos⁡θ),k′=(E,−Esin⁡θ,0,−Ecos⁡θ),(50.32)\begin{aligned} p&=(E,0,0,E),\qquad k=(E,0,0,-E),\\ p'&=(E,E\sin\theta,0,E\cos\theta),\\ k'&=(E,-E\sin\theta,0,-E\cos\theta), \end{aligned} \tag{50.32}

其中0<θ<π0<\theta<\pi。令c=cos⁡(θ/2)c=\cos(\theta/2)、d=sin⁡(θ/2)d=\sin(\theta/2), 采用式(50.7)的相位选择,有

ϕp=2E(01),κk=2E(−10),ϕp′=2E(−dc),κk′=2E(cd).(50.33)\begin{aligned} \phi_p&=\sqrt{2E}\binom01,& \kappa_k&=\sqrt{2E}\binom{-1}0,\\ \phi_{p'}&=\sqrt{2E}\binom{-d}c,& \kappa_{k'}&=\sqrt{2E}\binom c d . \end{aligned} \tag{50.33}

最后一列对应极角π−θ\pi-\theta、方位角π\pi; 在负zz轴的kk处选方位角为零。 利用[p k]=ϕp,2κk,1−ϕp,1κk,2[p\,k]=\phi_{p,2}\kappa_{k,1}-\phi_{p,1}\kappa_{k,2}, 四个所需括号为

[p k]=−2E,[p′ k]=−2Ec,[p k′]=2Ec,[p′ k′]=2E.(50.34)[p\,k]=-2E,\qquad [p'\,k]=-2Ec,\qquad [p\,k']=2Ec,\qquad [p'\,k']=2E. \tag{50.34}

于是这个实相位基中的两个非零振幅相同:

T++=T−−=−g2(c+1c).(50.35)\mathcal T_{++}=\mathcal T_{--} =-g^2\left(c+\frac1c\right). \tag{50.35}

初态只有电子的两个螺旋度需要平均,标量没有自旋简并。 对出射电子求和后,

⟨∣T∣2⟩=12∑σ,σ′∣Tσ′σ∣2=g4(c2+2+1c2)=g4(2−us−su),s=4E2,t=−4E2sin⁡2θ2,u=−4E2cos⁡2θ2.(50.36)\begin{aligned} \left\langle|\mathcal T|^2\right\rangle &=\frac12\sum_{\sigma,\sigma'}|\mathcal T_{\sigma'\sigma}|^2 =g^4\left(c^2+2+\frac1{c^2}\right)\\ &=g^4\left(2-\frac us-\frac su\right),\\ s&=4E^2,\qquad t=-4E^2\sin^2\frac\theta2,\qquad u=-4E^2\cos^2\frac\theta2 . \end{aligned} \tag{50.36}

这正是第48节四阶迹计算的高能结果。 两种算法所处理的中间对象很不同,最后却给出同一角度依赖。 再代入第11节的二体通量和相空间,便得到截面。 这里电子与标量可以区分,末态相空间无需再除以相同粒子的阶乘:

dσdΩ=g464π2s(2−us−su).(50.37)\frac{d\sigma}{d\Omega} =\frac{g^4}{64\pi^2s} \left(2-\frac us-\frac su\right). \tag{50.37}

θ→π\theta\to\pi时u→0u\to0,交换费米子趋近质量壳, 1/c1/c项随之增大。即使总能量很高,小的∣u∣|u|仍会放大质量项的影响。 因而在接近反向的散射中,应从有质量的分母出发再取极限。

下面推导习题50.1–50.5中的括号恒等式。它们把标量乘积、动量分解和矢量流统一写成外旋量的缩并,可直接用于更长的矩阵链。

左矢、右矢与无质量完整性

为四分量旋量的右矢和左矢引入简写:

∣p]=u−(p)=v+(p),∣p⟩=u+(p)=v−(p),[p∣=uˉ+(p)=vˉ−(p),⟨p∣=uˉ−(p)=vˉ+(p).(50.38)\begin{aligned} |p]&=u_-(p)=v_+(p),& |p\rangle&=u_+(p)=v_-(p),\\ [p|&=\bar u_+(p)=\bar v_-(p),& \langle p|&=\bar u_-(p)=\bar v_+(p). \end{aligned} \tag{50.38}

将∣p]|p]取狄拉克共轭得到⟨p∣\langle p|, 将∣p⟩|p\rangle取狄拉克共轭得到[p∣[p|。 因而记号左右的方括号或尖括号,是按不变缩并来配对的。 由式(50.19)的四种标量双线性,逐项得到

⟨k∣p⟩=⟨k p⟩,[k∣p]=[k p],⟨k∣p]=[k∣p⟩=0.(50.39)\langle k|p\rangle=\langle k\,p\rangle,\qquad [k|p]=[k\,p],\qquad \langle k|p]=[k|p\rangle=0. \tag{50.39}

(a) 两个螺旋度投影之和为单位矩阵, 故式(50.1)给

−p̸=u+(p)uˉ+(p)+u−(p)uˉ−(p)=∣p⟩[p∣+∣p]⟨p∣.(50.40)\begin{aligned} -\slashed p &=u_+(p)\bar u_+(p)+u_-(p)\bar u_-(p)\\ &=|p\rangle[p|+|p]\langle p|. \end{aligned} \tag{50.40}

按外尔块展开,这就是式(50.26)。 保持上述狄拉克共轭关系时,这个完整性式适用于正能支。 若p=−qp=-q且qq正能,则相应恒等式是

−p̸=q̸=−∣q⟩[q∣−∣q]⟨q∣.(50.41)-\slashed p=\slashed q =-|q\rangle[q|-|q]\langle q|. \tag{50.41}

负能量支的外积系数由此变号。

(b) 在两端夹上左矢和右矢,将完整性式的两项分别相乘:

[p′∣(−k̸)∣p⟩=[p′∣k⟩[k∣p⟩+[p′∣k]⟨k∣p⟩=[p′ k]⟨k p⟩,⟨p′∣(−k̸)∣p]=⟨p′∣k⟩[k∣p]+⟨p′∣k]⟨k∣p]=⟨p′ k⟩[k p].(50.42)\begin{aligned} {}[p'|(-\slashed k)|p\rangle &=[p'|k\rangle[k|p\rangle+[p'|k]\langle k|p\rangle\\ &=[p'\,k]\langle k\,p\rangle,\\ \langle p'|(-\slashed k)|p] &=\langle p'|k\rangle[k|p] +\langle p'|k]\langle k|p]\\ &=\langle p'\,k\rangle[k\,p]. \end{aligned} \tag{50.42}

第一行的第一项与第二组的第二项由 式(50.39)为零。 对[p′∣(−k̸)∣p][p'|(-\slashed k)|p], 第一项含[p′∣k⟩=0[p'|k\rangle=0、第二项含⟨k∣p]=0\langle k|p]=0; 对⟨p′∣(−k̸)∣p⟩\langle p'|(-\slashed k)|p\rangle亦各有一个为零的因子。 因此两个螺旋度翻转元都为零,重得式(50.27)与(50.28)。

角度公式的外积与推动极限

(a) 令d=sin⁡(θ/2)d=\sin(\theta/2)、c=cos⁡(θ/2)c=\cos(\theta/2)。 式(50.7)的列给出

ϕϕ†=2ω(d2−dc e−iϕaz−dc eiϕazc2)=ω(1−cos⁡θ−sin⁡θ e−iϕaz−sin⁡θ eiϕaz1+cos⁡θ).(50.43)\begin{aligned} \phi\phi^\dagger &=2\omega \begin{pmatrix} d^2&-dc\,e^{-i\phi_{\rm az}}\\ -dc\,e^{i\phi_{\rm az}}&c^2 \end{pmatrix}\\ &=\omega \begin{pmatrix} 1-\cos\theta&-\sin\theta\,e^{-i\phi_{\rm az}}\\ -\sin\theta\,e^{i\phi_{\rm az}}&1+\cos\theta \end{pmatrix}. \end{aligned} \tag{50.43}

把p0=ωp^0=\omega、 p3=ωcos⁡θp^3=\omega\cos\theta、 p1∓ip2=ωsin⁡θe∓iϕazp^1\mp ip^2=\omega\sin\theta e^{\mp i\phi_{\rm az}} 代入式(50.11)的矩阵,逐元可见它等于−ϕϕ†-\phi\phi^\dagger。 动量的秩一分解由此得到显式验证,其中右上、左下元的相位互为共轭。

(b) 取p=p z^\mathbf p=p\,\hat{\mathbf z}、p>0p>0。 沿第38节的推动,静止旋量及相应矩阵为

u+(0)=m (1,0,1,0)T,u−(0)=m (0,1,0,1)T,D(η)=(e−ησ3/200e+ησ3/2),ω=mcosh⁡η,p=msinh⁡η.(50.44)\begin{aligned} u_+(0)&=\sqrt m\,(1,0,1,0)^T,& u_-(0)&=\sqrt m\,(0,1,0,1)^T,\\ D(\eta)&= \begin{pmatrix} e^{-\eta\sigma_3/2}&0\\0&e^{+\eta\sigma_3/2} \end{pmatrix},& \omega&=m\cosh\eta,\quad p=m\sinh\eta . \end{aligned} \tag{50.44}

σ3\sigma_3已为对角矩阵,直接相乘得到

u+(p)=(m e−η/20m e+η/20)=(ω−p0ω+p0),u−(p)=(0m e+η/20m e−η/2)=(0ω+p0ω−p).(50.45)\begin{aligned} u_+(p)&= \begin{pmatrix} \sqrt m\,e^{-\eta/2}\\0\\ \sqrt m\,e^{+\eta/2}\\0 \end{pmatrix} =\begin{pmatrix} \sqrt{\omega-p}\\0\\\sqrt{\omega+p}\\0 \end{pmatrix},\\ u_-(p)&= \begin{pmatrix} 0\\\sqrt m\,e^{+\eta/2}\\ 0\\\sqrt m\,e^{-\eta/2} \end{pmatrix} =\begin{pmatrix} 0\\\sqrt{\omega+p}\\0\\\sqrt{\omega-p} \end{pmatrix}. \end{aligned} \tag{50.45}

等号用me±η=ω±pm e^{\pm\eta}=\omega\pm p。 在固定p>0p>0下令m→0m\to0,有ω→p\omega\to p、 ω−p=m2/(ω+p)→0\omega-p=m^2/(\omega+p)\to0,故

u+(p)⟶2p (0,0,1,0)T,u−(p)⟶2p (0,1,0,0)T.(50.46)u_+(p)\longrightarrow\sqrt{2p}\,(0,0,1,0)^T,\qquad u_-(p)\longrightarrow\sqrt{2p}\,(0,1,0,0)^T. \tag{50.46}

式(50.7)在θ=0\theta=0时给ϕ=2p(0,1)T\phi=\sqrt{2p}(0,1)^T, 而Uϕ∗=2p(1,0)TU\phi^*=\sqrt{2p}(1,0)^T。 分别放入u−u_-的上块与u+u_+的下块,正好得到这两列。 归一也连续地变为uσ†uσ=2pu_\sigma^\dagger u_\sigma=2p。

斯考滕恒等式

设κ,ρ,τ\kappa,\rho,\tau分别属于q,r,sq,r,s,记其共轭列为 a=κ∗a=\kappa^*、b=ρ∗b=\rho^*、c=τ∗c=\tau^*。 二分量反对称乘积为 ⟨q r⟩=a1b2−a2b1\langle q\,r\rangle=a_1b_2-a_2b_1。 考虑列向量

a(b1c2−b2c1)+b(c1a2−c2a1)+c(a1b2−a2b1).(50.47)a(b_1c_2-b_2c_1) +b(c_1a_2-c_2a_1) +c(a_1b_2-a_2b_1). \tag{50.47}

它的第一分量展开为 a1b1c2−a1b2c1+b1c1a2−b1c2a1+c1a1b2−c1a2b1a_1b_1c_2-a_1b_2c_1+b_1c_1a_2-b_1c_2a_1 +c_1a_1b_2-c_1a_2b_1,六项两两相消; 第二分量把外面的11换为22,同样两两相消。 因此式(50.47)为零列。 对它作用线性映射x↦ϕ1∗x2−ϕ2∗x1x\mapsto\phi_1^*x_2-\phi_2^*x_1,就得到

⟨p q⟩⟨r s⟩+⟨p r⟩⟨s q⟩+⟨p s⟩⟨q r⟩=0.(50.48)\langle p\,q\rangle\langle r\,s\rangle +\langle p\,r\rangle\langle s\,q\rangle +\langle p\,s\rangle\langle q\,r\rangle=0 . \tag{50.48}

三个向量位于二维空间,使其完全反对称组合为零;收缩后便得到这个斯考滕恒等式。这个多项式恒等式在动量共线时也成立。

四括号与手征迹

令PL=(1−γ5)/2P_L=(1-\gamma_5)/2。它选出∣p]|p],杀掉∣p⟩|p\rangle。 连续使用式(50.40)和零重叠,得到

PL(−p̸)=∣p]⟨p∣,PL(−p̸)(−q̸)=∣p]⟨p q⟩[q∣,PL(−p̸)(−q̸)(−r̸)=∣p]⟨p q⟩[q r]⟨r∣,PL(−p̸)(−q̸)(−r̸)(−s̸)=∣p]⟨p q⟩[q r]⟨r s⟩[s∣.(50.49)\begin{aligned} P_L(-\slashed p)&=|p]\langle p|,\\ P_L(-\slashed p)(-\slashed q) &=|p]\langle p\,q\rangle[q|,\\ P_L(-\slashed p)(-\slashed q)(-\slashed r) &=|p]\langle p\,q\rangle[q\,r]\langle r|,\\ P_L(-\slashed p)(-\slashed q)(-\slashed r)(-\slashed s) &=|p]\langle p\,q\rangle[q\,r]\langle r\,s\rangle[s|. \end{aligned} \tag{50.49}

列行外积满足tr⁡(∣p][s∣)=[s∣p]=[s p]\operatorname{tr}(|p][s|)=[s|p]=[s\,p], 而四个负号相乘为正。因此四括号乘积可写成

⟨p q⟩[q r]⟨r s⟩[s p]=tr⁡(PLp̸q̸r̸s̸).(50.50)\langle p\,q\rangle[q\,r]\langle r\,s\rangle[s\,p] =\operatorname{tr}(P_L\slashed p\slashed q\slashed r\slashed s). \tag{50.50}

按第47节已经推导的普通四阶迹和γ5\gamma_5四阶迹,展开右边:

tr⁡(PLp̸q̸r̸s̸)=2[(p⋅q)(r⋅s)−(p⋅r)(q⋅s)+(p⋅s)(q⋅r)]+2iϵμνρσpμqνrρsσ.(50.51)\begin{aligned} \operatorname{tr}(P_L\slashed p\slashed q\slashed r\slashed s) ={}&2\bigl[ (p\cdot q)(r\cdot s) -(p\cdot r)(q\cdot s) +(p\cdot s)(q\cdot r)\bigr]\\ &+2i\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma}p_\mu q_\nu r_\rho s_\sigma . \end{aligned} \tag{50.51}

这里沿本书ϵ0123=+1\epsilon^{0123}=+1。 普通迹乘1/21/2给第一行; tr⁡(γ5p̸q̸r̸s̸)=−4iϵμνρσpμqνrρsσ\operatorname{tr}(\gamma_5\slashed p\slashed q\slashed r\slashed s) =-4i\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma}p_\mu q_\nu r_\rho s_\sigma 乘−1/2-1/2给第二行。 缩并中四个动量指标都是下标;改写成上标动量时应同时使用 ϵ0123=−1\epsilon_{0123}=-1。

右边一般为复数。取一个具体的非共面正能例子,

p=(5,3,0,4),q=(4,0,4,0),r=(3,−1,2,−2),s=(7,6,3,2),(50.52)\begin{aligned} p&=(5,3,0,4),&q&=(4,0,4,0),\\ r&=(3,-1,2,-2),&s&=(7,6,3,2), \end{aligned} \tag{50.52}

这些数以同一能量单位给出,每个四动量都满足无质量条件。 按式(50.7)选取的旋量为 ϕp=(−1,3)T\phi_p=(-1,3)^T、ϕq=(2i,2)T\phi_q=(2i,2)^T、 ϕr=(1+2i,1)T\phi_r=(1+2i,1)^T、ϕs=(−2+i,3)T\phi_s=(-2+i,3)^T。 所需六个内积为 pq=−20pq=-20、pr=−26pr=-26、ps=−9ps=-9、 qr=−4qr=-4、qs=−16qs=-16、rs=−25rs=-25。 三个实项的组合为500−416+36=120500-416+36=120。 四个下标动量按行排列的行列式为

det⁡(−5304−4040−3−12−2−7632)=240.(50.53)\det\begin{pmatrix} -5&3&0&4\\-4&0&4&0\\-3&-1&2&-2\\-7&6&3&2 \end{pmatrix}=240 . \tag{50.53}

旋量一侧给 ⟨p q⟩=−2+6i\langle p\,q\rangle=-2+6i、[q r]=2+2i[q\,r]=2+2i、 ⟨r s⟩=5−5i\langle r\,s\rangle=5-5i、[s p]=3−3i[s\,p]=3-3i, 四个数相乘为240+480i240+480i; 右边同样为2(120)+2i(240)2(120)+2i(240)。 这个例子同时保留了普通迹和ϵ\epsilon迹的贡献。

矢量双线性与费尔兹恒等式

(a) 先求矢量双线性在整链反向及复共轭下的变换。 沿第49节的整链转置关系, 普通外旋量满足

wˉ1Aw2=−w2c‾(CATC−1)w1c.\bar w_1Aw_2=-\overline{w_2^c} (\mathcal C A^T\mathcal C^{-1})w_1^c .

取w1=u−(p)w_1=u_-(p)、w2=u−(k)w_2=u_-(k)、A=γμA=\gamma^\mu, 再用u−c=u+u_-^c=u_+及 C(γμ)TC−1=−γμ\mathcal C(\gamma^\mu)^T\mathcal C^{-1}=-\gamma^\mu,得

⟨p∣γμ∣k]=−uˉ+(k)(−γμ)u+(p)=[k∣γμ∣p⟩.(50.54)\langle p|\gamma^\mu|k] =-\bar u_+(k)(-\gamma^\mu)u_+(p) =[k|\gamma^\mu|p\rangle . \tag{50.54}

链反转的负号与gamma变换的负号抵消。 取复共轭时,沿 β(γμ)†β=γμ\beta(\gamma^\mu)^\dagger\beta=\gamma^\mu,

(uˉ−(p)γμu−(k))∗=uˉ−(k) β(γμ)†β u−(p)=uˉ−(k)γμu−(p).(50.55)\begin{aligned} (\bar u_-(p)\gamma^\mu u_-(k))^* &=\bar u_-(k)\, \beta(\gamma^\mu)^\dagger\beta\,u_-(p)\\ &=\bar u_-(k)\gamma^\mu u_-(p). \end{aligned} \tag{50.55}

在两端动量相同时,按外尔块相乘得 ⟨p∣γμ∣p]=ϕ†σˉμϕ\langle p|\gamma^\mu|p]=\phi^\dagger\bar\sigma^\mu\phi。 式(50.14)分别给它的时间、空间分量:

⟨p∣γ0∣p]=ϕ†ϕ=2p0,⟨p∣γj∣p]=−ϕ†σjϕ=2pj.(50.56)\langle p|\gamma^0|p]=\phi^\dagger\phi=2p^0,\qquad \langle p|\gamma^j|p]=-\phi^\dagger\sigma_j\phi=2p^j . \tag{50.56}

因此,矢量流的归一系数为22。 若把另一种左矢、右矢配在一起,γμ\gamma^\mu把上块列送到下块, 或把下块列送到上块;相应行却仍留在另一块,故

⟨p∣γμ∣k⟩=0,[p∣γμ∣k]=0.(50.57)\langle p|\gamma^\mu|k\rangle=0,\qquad [p|\gamma^\mu|k]=0. \tag{50.57}

(b) 一次gamma乘法交换上下块,偶数次恢复原块、奇数次交换。 具体说,⟨p∣\langle p|只占下行、[p∣[p|只占上行, ∣k⟩|k\rangle只占下列、∣k]|k]只占上列。 令Gn=γμ1⋯γμnG_n=\gamma^{\mu_1}\cdots\gamma^{\mu_n},便有

必为零的第一种链必为零的第二种链n 为奇数⟨p∣Gn∣k⟩[p∣Gn∣k]n 为偶数⟨p∣Gn∣k][p∣Gn∣k⟩(50.58)\begin{array}{c|cc} &\text{必为零的第一种链}&\text{必为零的第二种链}\\ \hline n\ \text{为奇数}& \langle p|G_n|k\rangle &[p|G_n|k]\\ n\ \text{为偶数}& \langle p|G_n|k] &[p|G_n|k\rangle \end{array} \tag{50.58}

其中n=0n=0恰好包括式(50.39)的两个零式。 这项判断只用矩阵块结构,任意洛伦兹指标以及它们的线性缩并都适用。

(c) 接下来把矢量流与gamma矩阵的缩并写成外旋量的秩一外积。从二阶矩阵展开可以同时确定系数和次序。 记p,qp,q的旋量分别为ϕ,κ\phi,\kappa,令 B=κϕ†B=\kappa\phi^\dagger。 I,σ1,σ2,σ3I,\sigma_1,\sigma_2,\sigma_3构成二阶复矩阵空间的一组基, 它们的迹内积为tr⁡(σiσj)=2δij\operatorname{tr}(\sigma_i\sigma_j)=2\delta_{ij}、 tr⁡σi=0\operatorname{tr}\sigma_i=0,故

B=12[tr⁡B I+∑j=13tr⁡(σjB)σj].(50.59)B=\frac12\left[ \operatorname{tr}B\,I+\sum_{j=1}^3 \operatorname{tr}(\sigma_jB)\sigma_j\right]. \tag{50.59}

四个系数可分别通过取迹或乘σj\sigma_j后取迹求出, 这就给出了任意复矩阵BB的展开。

令Jμ=⟨p∣γμ∣q]=ϕ†σˉμκJ^\mu=\langle p|\gamma^\mu|q] =\phi^\dagger\bar\sigma^\mu\kappa, 则J0=tr⁡BJ^0=\operatorname{tr}B、 Jj=−tr⁡(σjB)J^j=-\operatorname{tr}(\sigma_jB)。 又γ0=−γ0\gamma_0=-\gamma^0、γj=γj\gamma_j=\gamma^j, 所以−12Jμγμ-\frac12J^\mu\gamma_\mu的右上块为

12[tr⁡B I+∑jtr⁡(σjB)σj]=B,(50.60)\frac12\left[\operatorname{tr}B\,I+ \sum_j\operatorname{tr}(\sigma_jB)\sigma_j\right]=B, \tag{50.60}

左下块为

12[tr⁡B I−∑jtr⁡(σjB)σj]=(tr⁡B)I−B=UBTUT=(Uϕ∗)(Uκ)T.(50.61)\begin{aligned} \frac12\left[\operatorname{tr}B\,I- \sum_j\operatorname{tr}(\sigma_jB)\sigma_j\right] &=(\operatorname{tr}B)I-B\\ &=UB^TU^T =(U\phi^*)(U\kappa)^T . \end{aligned} \tag{50.61}

中间的二阶矩阵恒等式可逐元检查: 若B=(abcd)B=\left(\begin{smallmatrix}a&b\\c&d\end{smallmatrix}\right), 两边都是(d−b−ca)\left(\begin{smallmatrix}d&-b\\-c&a\end{smallmatrix}\right)。 右上块BB为∣q]⟨p∣|q]\langle p|的非零块, 左下块为∣p⟩[q∣|p\rangle[q|的非零块。因此

−12⟨p∣γμ∣q] γμ=∣q]⟨p∣+∣p⟩[q∣.(50.62)-\frac12\langle p|\gamma^\mu|q]\,\gamma_\mu =|q]\langle p|+|p\rangle[q| . \tag{50.62}

负号和1/21/2已由度规与泡利迹归一固定。

式(50.54)给[p∣γμ∣q⟩=⟨q∣γμ∣p][p|\gamma^\mu|q\rangle=\langle q|\gamma^\mu|p]。 在刚得到的恒等式中交换p,qp,q,便有

−12[p∣γμ∣q⟩ γμ=∣q⟩[p∣+∣p]⟨q∣.(50.63)-\frac12[p|\gamma^\mu|q\rangle\,\gamma_\mu =|q\rangle[p|+|p]\langle q|. \tag{50.63}

最后在左边乘⟨r∣\langle r|、右边乘∣s]|s],则右边第二项为零, 第一项为⟨r q⟩[p s]\langle r\,q\rangle[p\,s]。于是

−12[p∣γμ∣q⟩⟨r∣γμ∣s]=⟨r q⟩[p s],[p∣γμ∣q⟩⟨r∣γμ∣s]=2[p s]⟨q r⟩.(50.64)\begin{aligned} -\frac12[p|\gamma^\mu|q\rangle \langle r|\gamma_\mu|s] &=\langle r\,q\rangle[p\,s],\\ [p|\gamma^\mu|q\rangle \langle r|\gamma_\mu|s] &=2[p\,s]\langle q\,r\rangle . \end{aligned} \tag{50.64}

最后一步用了尖括号反对称性。 这样,两条矢量流的缩并可直接换成两个标量括号的乘积。


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文章标题:Srednicki §50 无质量粒子与旋量螺旋度

文章作者:Whitney

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