Srednicki §53 泛函行列式

26 年 9 月 14 日 星期一
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我们已经多次利用高斯积分计算自由场的生成泛函。 若二次型不依赖其它场,积分给出的行列式只改变整体归一化, 往往可以在零源比值中消去。现在设二次型里还含有一个指定的背景场: 对量子场的积分仍然是高斯型,所得行列式却随背景而变,必须保留下来。 这个泛函行列式(functional determinant)究竟包含哪些物理过程, 可以通过把它展开成费曼图看清楚。

我们先讨论复标量,再讨论狄拉克场;两个计算的差别将给出闭费米圈的统计负号。第71节计算非阿贝尔规范场的路径积分时还会用到这项技术,先在熟悉的高斯理论中把它建立起来。

在指定背景中积掉复标量

先取一个复标量χ\chi,使它与实的背景函数φ(x)\varphi(x)耦合:

Lχ=μχμχm2χχ+gφχχ.(53.1)\mathcal L_\chi =-\partial^\mu\chi^\dagger\partial_\mu\chi -m^2\chi^\dagger\chi+g\varphi\chi^\dagger\chi . \tag{53.1}

这里φ(x)\varphi(x)已经指定,路径积分只对χ,χ\chi,\chi^\dagger进行。 因此每个相互作用项对被积变量仍是二次型。 若按通常的标量场赋予[φ]=1[\varphi]=1,则这一例子的gg有质量维数一, gφg\varphim2m^2具有相同的量纲。 稍后狄拉克例子也记耦合为gg,但那时它是无量纲的另一个耦合。

为了消去与背景无关的归一因子,把泛函定义成比值

Zχ[φ]=DχDχeiSχ[φ]DχDχeiSχ[0],Zχ[0]=1.(53.2)Z_\chi[\varphi] =\frac{\displaystyle\int\mathcal D\chi^\dagger\mathcal D\chi\, e^{iS_\chi[\varphi]}} {\displaystyle\int\mathcal D\chi^\dagger\mathcal D\chi\, e^{iS_\chi[0]}}, \qquad Z_\chi[0]=1 . \tag{53.2}

分子和分母使用同一个测度、边界条件及调节。先在有限区域和有限基底中进行矩阵运算,再取连续极限,并用费曼处方选定真空边界条件。

对动能作一次分部积分, μχμχ=μ(χμχ)+χ2χ-\partial^\mu\chi^\dagger\partial_\mu\chi =-\partial_\mu(\chi^\dagger\partial^\mu\chi) +\chi^\dagger\partial^2\chi,于是

Sχ[φ]=d4xχ(2+m2gφ)χΩdΣμχμχ.(53.3)S_\chi[\varphi] =-\int d^4x\,\chi^\dagger (-\partial^2+m^2-g\varphi)\chi -\int_{\partial\Omega}d\Sigma_\mu\, \chi^\dagger\partial^\mu\chi . \tag{53.3}

取周期边界或使场在边界充分衰减,最后一项为零,二次型的核便是

Qχ(x,y)=[x2+m2gφ(x)]δ4(xy),Sχ=d4xd4yχ(x)Qχ(x,y)χ(y).(53.4)Q_\chi(x,y) =\bigl[-\partial_x^2+m^2-g\varphi(x)\bigr]\delta^4(x-y), \qquad S_\chi=-\int d^4x\,d^4y\,\chi^\dagger(x)Q_\chi(x,y)\chi(y). \tag{53.4}

自由核提出后的余因子记为Q~\widetilde Q

在有限基底中设χ\chiNN个复坐标zjz_j。 沿第44节的测度,zj=(xj+iyj)/2z_j=(x_j+iy_j)/\sqrt2dNzdNzˉ=dNxdNyd^Nz\,d^N\bar z=d^Nx\,d^Ny普通复高斯积分已给出 ezAz=(2π)N/detA\int e^{-z^\dagger A z}=(2\pi)^N/\det A, 只要AA的厄米部分正定。 取A=iQχA=iQ_\chi,便得到本节所需的振荡积分:

dNzdNzˉeizˉQχz=(2π)Ndet(iQχ)=(2π)NiNdetQχ.(53.5)\int d^Nz\,d^N\bar z\,e^{-i\bar z Q_\chi z} =\frac{(2\pi)^N}{\det(iQ_\chi)} =\frac{(2\pi)^N i^{-N}}{\det Q_\chi}. \tag{53.5}

例如对有限厄米核先作QχQχiδIQ_\chi\mapsto Q_\chi-i\delta Iδ>0\delta>0,则指数的实部为δzz-\delta z^\dagger z, 积分绝对收敛。最后的真空极限从这类有阻尼的积分接出。 自由核Qχ,0Q_{\chi,0}取同一处方,所有与背景无关的因子在比值中相消,留下

Zχ[φ]=detQχ,0detQχ[φ].(53.6)Z_\chi[\varphi]=\frac{\det Q_{\chi,0}}{\det Q_\chi[\varphi]}. \tag{53.6}

所以负一次行列式幂直接来自普通复变量的积分。 它的2π2\piii因子虽然不出现在归一化后的答案里, 相消以前仍由测度和指数中的负号确定。

用自由传播子分解二次核

Φ\Phi定义为乘法算符,(Φf)(x)=φ(x)f(x)(\Phi f)(x)=\varphi(x)f(x)。 自由部分与背景部分的分离为

Qχ=Qχ,0gΦ,Qχ,0(x,y)=(x2+m2)δ4(xy),Qχ=Qχ,0(IGχ),Gχ=gQχ,01Φ.(53.7)\begin{gathered} Q_\chi=Q_{\chi,0}-g\Phi,\qquad Q_{\chi,0}(x,y)=(-\partial_x^2+m^2)\delta^4(x-y),\\ Q_\chi=Q_{\chi,0}(I-G_\chi),\qquad G_\chi=gQ_{\chi,0}^{-1}\Phi . \end{gathered} \tag{53.7}

这一写法先要求自由核可逆。其逆取费曼传播子Δ\Delta, 沿本书定义满足 (x2+m2)Δ(xy)=δ4(xy)(-\partial_x^2+m^2)\Delta(x-y)=\delta^4(x-y); 若保留有限的真空调节,核与逆也相应同时调节。 因此单位算符和剩余核分别为

I(x,y)=δ4(xy),Gχ(x,y)=gΔ(xy)φ(y),Q~χ(x,y)=δ4(xy)gΔ(xy)φ(y).(53.8)\begin{aligned} I(x,y)&=\delta^4(x-y),\\ G_\chi(x,y)&=g\Delta(x-y)\varphi(y),\\ \widetilde Q_\chi(x,y)&=\delta^4(x-y)-g\Delta(x-y)\varphi(y). \end{aligned} \tag{53.8}

背景必须在第二坐标处,因为先由Φ\Phi乘上背景, 再由Qχ,01Q_{\chi,0}^{-1}传播。对一般非恒定的φ\varphiΦ\Phi与微分算符并不对易。把核的乘法展开,可以直接检验这个顺序:

d4yQχ,0(x,y)Q~χ(y,z)=Qχ,0(x,z)g(x2+m2)Δ(xz)φ(z)=Qχ,0(x,z)gδ4(xz)φ(z)=[x2+m2gφ(x)]δ4(xz).(53.9)\begin{aligned} &\int d^4y\,Q_{\chi,0}(x,y)\widetilde Q_\chi(y,z)\\ &\quad=Q_{\chi,0}(x,z) -g(-\partial_x^2+m^2)\Delta(x-z)\varphi(z)\\ &\quad=Q_{\chi,0}(x,z)-g\delta^4(x-z)\varphi(z)\\ &\quad=\bigl[-\partial_x^2+m^2-g\varphi(x)\bigr]\delta^4(x-z). \end{aligned} \tag{53.9}

第二行的导数只作用于Δ(xz)\Delta(x-z),最后一步才用 φ(z)δ4(xz)=φ(x)δ4(xz)\varphi(z)\delta^4(x-z)=\varphi(x)\delta^4(x-z)。 这样就得回式(53.4),背景也保持为局部乘法算符。

在同一个有限基底中,行列式的乘法关系给

detQχ=detQχ,0det(IGχ),Zχ[φ]=det(IGχ)1.(53.10)\det Q_\chi=\det Q_{\chi,0}\det(I-G_\chi), \qquad Z_\chi[\varphi]=\det(I-G_\chi)^{-1}. \tag{53.10}

所用的det(AB)=detAdetB\det(AB)=\det A\det B是普通矩阵的恒等式: 把ABAB的各列看成AA作用在BB的列上,行列式仍是这些列的交替多线性函数, 故等于detB\det B乘上它在单位基底上的值detA\det A。 因此这一步可在撤去调节以前完成。背景为零时Gχ=0G_\chi=0, 剩余行列式等于一,归一条件也随之满足。

从矩阵对数到闭合传播链

要看清行列式里包含什么,最方便的是先取对数。 所需关系是detA=exp(TrlnA)\det A=\exp(\operatorname{Tr}\ln A), 可在若尔当基底中证明。对于一个可逆的有限矩阵, 一个若尔当块可写成J=aI+NJ=aI+N,其中a0a\ne0Nr=0N^r=0。 选定aa的对数分支后,

lnJ=(lna)I+k=1r1(1)k+1kakNk,TrlnJ=rlna,detJ=ar.(53.11)\ln J=(\ln a)I+ \sum_{k=1}^{r-1}\frac{(-1)^{k+1}}{k\,a^k}N^k, \qquad \operatorname{Tr}\ln J=r\ln a,\qquad \det J=a^r . \tag{53.11}

NN及其正整数次幂都严格上三角,迹为零, 所以只有对角部分进入TrlnJ\operatorname{Tr}\ln J。 对全部若尔当块相加,再用相似变换不改变迹与行列式,便得到 exp(TrlnA)=ar=detA\exp(\operatorname{Tr}\ln A)=\prod a^r=\det A。 这个证明也适用于不可对角化的矩阵。

这里实际需要的是A=IGχA=I-G_\chi。在有限维下, 若某个次乘法矩阵范数满足Gχ<1\|G_\chi\|<1, 对数可在单位阵附近按收敛级数定义:

ln(IGχ)=n=1Gχnn,lnZχ[φ]=n=1TrGχnn.(53.12)\ln(I-G_\chi)=-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{G_\chi^n}{n}, \qquad \ln Z_\chi[\varphi] =\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\operatorname{Tr}G_\chi^n}{n}. \tag{53.12}

分支从零背景的lnZχ[0]=0\ln Z_\chi[0]=0连续选定。 若只求背景的微扰展开,这些等式也可以逐阶作为形式级数使用; 撤去有限基底以前,每个系数仍须按同一规则调节。 任意强背景不必处于上述收敛域,核出现零模时更不能直接沿用这个级数。

系数1/n1/n还可以从一个积分清楚地看出。 令背景强度乘上参数tt,并从t=0t=0增加到一。 由det(I+hB)=1+hTrB+O(h2)\det(I+hB)=1+h\operatorname{Tr}B+O(h^2)得到

ddtlndet(ItGχ)=Tr[(ItGχ)1Gχ],lndet(IGχ)=01dtr=0trTrGχr+1=n=1TrGχnn.(53.13)\begin{aligned} \frac{d}{dt}\ln\det(I-tG_\chi) &=-\operatorname{Tr}\bigl[(I-tG_\chi)^{-1}G_\chi\bigr],\\ \ln\det(I-G_\chi) &=-\int_0^1dt\sum_{r=0}^{\infty} t^r\operatorname{Tr}G_\chi^{r+1} =-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\operatorname{Tr}G_\chi^n}{n}. \end{aligned} \tag{53.13}

第一个等式可在相邻两点间分解 I(t+h)Gχ=(ItGχ)[Ih(ItGχ)1Gχ]I-(t+h)G_\chi=(I-tG_\chi) [I-h(I-tG_\chi)^{-1}G_\chi]后取行列式得到。 在Gχ<1\|G_\chi\|<1时,诺伊曼级数在0t10\leq t\leq1上一致收敛, 所以第二行可以逐项积分。由此,矩阵对数的展开及其积分因子都已确定。

接下来恢复连续坐标。算符乘法先对中间坐标积分, 取迹再把首尾坐标相等。例如

TrGχ=gd4xΔ(0)φ(x),TrGχ2=g2d4xd4yΔ(xy)φ(y)Δ(yx)φ(x),TrGχn=gnj=1nd4xjj=1n[Δ(xjxj+1)φ(xj+1)],xn+1=x1.(53.14)\begin{aligned} \operatorname{Tr}G_\chi &=g\int d^4x\,\Delta(0)\varphi(x),\\ \operatorname{Tr}G_\chi^2 &=g^2\int d^4x\,d^4y\, \Delta(x-y)\varphi(y)\Delta(y-x)\varphi(x),\\ \operatorname{Tr}G_\chi^n &=g^n\int\prod_{j=1}^n d^4x_j\, \prod_{j=1}^n \bigl[\Delta(x_j-x_{j+1})\varphi(x_{j+1})\bigr], \qquad x_{n+1}=x_1 . \end{aligned} \tag{53.14}

一般式由nn次核乘法得到。 每个φ\varphi前后各有一条传播核,最后一条把链闭合。 GχG_\chi作为算符无量纲;它的核有质量维数 [g]+[Δ]+[φ]=1+2+1=4[g]+[\Delta]+[\varphi]=1+2+1=4, 恰由每次坐标积分的维数抵消。因此迹的每一项都可以进入lnZ\ln Z

把闭合传播链读成圈图

现在直接从相互作用展开计算同一个泛函。 每个顶点含有一个χ\chi和一个χ\chi^\dagger,而φ\varphi只是指定的函数; 把量子场两两收缩以后,每个顶点恰有一条线进入、一条线离开。 所以连通的真空图只能是有向圈,圈上可以有任意正整数个背景插入。 这类图可以统一画成

固定背景中的有向圈,四个显式插入点与右侧省略点表示任意插入数

背景中的有向圈。黑点给出igφ(xj)ig\varphi(x_j), 箭头从传播核的第二坐标指向第一坐标; 右侧省略了其余插入点。四个显式点代表一般圈的一部分, 不把插入数限定为四。两种量子场的内线分别为Δ/i\Delta/iS/iS/i

先讨论复标量。沿本书的传播子定义, Tχ(x)χ(y)0=Δ(xy)/i\langle T\chi(x)\chi^\dagger(y)\rangle_0=\Delta(x-y)/i。 相互作用指数展开至nn阶给出

Zχ[φ]gn=(ig)nn!j=1nd4xjφ(xj)πSnj=1nΔ(xjxπ(j))i.(53.15)\left.Z_\chi[\varphi]\right|_{g^n} =\frac{(ig)^n}{n!}\int\prod_{j=1}^n d^4x_j\,\varphi(x_j) \sum_{\pi\in\mathfrak S_n} \prod_{j=1}^n\frac{\Delta(x_j-x_{\pi(j)})}{i}. \tag{53.15}

这里排列π\pi说明第jjχ\chi与第π(j)\pi(j)χ\chi^\dagger配对。 每个排列都能唯一分解成若干互不相交的循环;一个循环恰好就是一个连通圈。 要得到含全部nn个顶点的连通图,π\pi必须是一个nn循环。 固定从标签1开始读这个循环,剩下n1n-1个标签可以任意排列, 所以这样的收缩共有(n1)!(n-1)!个。 各顶点的坐标都要积分,重新命名这些哑变量便使所有单圈积分相同。 它们与指数展开中的n!n!相除,留下

Cχ,n[φ]=(n1)!n!(ig)nj=1nd4xjφ(xj)j=1nΔ(xjxj+1)i=gnnj=1nd4xjj=1n[Δ(xjxj+1)φ(xj+1)]=1nTrGχn.(53.16)\begin{aligned} C_{\chi,n}[\varphi] &=\frac{(n-1)!}{n!}(ig)^n \int\prod_{j=1}^n d^4x_j\,\varphi(x_j) \prod_{j=1}^n\frac{\Delta(x_j-x_{j+1})}{i}\\ &=\frac{g^n}{n}\int\prod_{j=1}^n d^4x_j\, \prod_{j=1}^n [\Delta(x_j-x_{j+1})\varphi(x_{j+1})] =\frac1n\operatorname{Tr}G_\chi^n . \end{aligned} \tag{53.16}

第一行的nn个顶角各带一个iinn条传播线各带一个1/i1/i, 二者完全相消。积掉所有坐标时, jφ(xj)=jφ(xj+1)\prod_j\varphi(x_j)=\prod_j\varphi(x_{j+1}), 于是第二行正好成为式(53.14)的迹。 从无标签图看,同样的1/n1/n来自沿有向圈选择起点的nn种重复; 即对称因子S=nS=n。 有向线已经区分两个方向,反射不再给一个额外的二分之一。 当n=1n=1时这是单个插入上的蝌蚪;当n=2n=2时两条反向传播线接在两个顶点之间, 权重分别为一和二分之一,均包含在上述计数中。

剩下的图只是若干这种圈的乘积。 设其中含有rnr_n个各具nn个插入的圈,总顶点数为 N=nnrnN=\sum_n nr_n。把NN个标签分成这些圈,给出 N!/n[(n!)rnrn!]N!/\prod_n[(n!)^{r_n}r_n!]种分组; 再对每组计入(n1)!(n-1)!种单循环收缩,最后除以展开中的N!N!, 便得到每个圈的1/n1/n及相同圈之间的1/rn!1/r_n!。 因此第9节的连通图指数关系在这里具体成为

Zχ[φ]=n=1(rn=0Cχ,n[φ]rnrn!)=exp ⁣(n=1Cχ,n[φ]).(53.17)Z_\chi[\varphi] =\prod_{n=1}^{\infty} \left(\sum_{r_n=0}^{\infty} \frac{C_{\chi,n}[\varphi]^{r_n}}{r_n!}\right) =\exp\!\left(\sum_{n=1}^{\infty}C_{\chi,n}[\varphi]\right). \tag{53.17}

定义Zχ=eiΓχZ_\chi=e^{i\Gamma_\chi},并使Γχ[0]=0\Gamma_\chi[0]=0,于是

iΓχ[φ]=n=11nTrGχn=Trln(IGχ).(53.18)i\Gamma_\chi[\varphi] =\sum_{n=1}^{\infty}\frac1n\operatorname{Tr}G_\chi^n =-\operatorname{Tr}\ln(I-G_\chi). \tag{53.18}

行列式把所有背景插入数一次包含在内;取它的对数,则恰好留下连通的圈。

积掉狄拉克场

接着把被积变量换成狄拉克场,仍保持φ(x)\varphi(x)为指定背景。 这里采用普通标量耦合:

LΨ=iΨˉ∂̸ΨmΨˉΨ+gφΨˉΨ,SΨ=d4xΨˉ(i∂̸+mgφ)Ψ.(53.19)\begin{aligned} \mathcal L_\Psi &=i\bar\Psi\slashed\partial\Psi-m\bar\Psi\Psi +g\varphi\bar\Psi\Psi,\\ S_\Psi &=-\int d^4x\,\bar\Psi (-i\slashed\partial+m-g\varphi)\Psi . \end{aligned} \tag{53.19}

这次[Ψ]=3/2[\Psi]=3/2,故在[φ]=1[\varphi]=1gg无量纲。 顶角是igφig\varphi乘旋量单位阵;前两章赝标量耦合中的γ5\gamma_5不出现在这里。 动能已经写成导数作用于Ψ\Psi的形式,第二行只是从整个二次型提取负号, 无需再把导数移过Ψˉ\bar\Psi

在有限基底中,将时空与旋量标签合成一个指标。 若共有NN个时空基函数,就有4N4N对独立的格拉斯曼变量。 第44节的复格拉斯曼高斯积分 给出eψˉAψ=detA\int e^{\bar\psi A\psi}=\det A。 把A=iQΨA=-iQ_\Psi代入,并与零背景积分相比,有

ZΨ[φ]=DΨˉDΨeiSΨ[φ]DΨˉDΨeiSΨ[0]=det(iQΨ)det(iQΨ,0)=(i)4NdetQΨ(i)4NdetQΨ,0=detQΨdetQΨ,0,ZΨ[0]=1.(53.20)\begin{aligned} Z_\Psi[\varphi] &=\frac{\displaystyle\int\mathcal D\bar\Psi\mathcal D\Psi\, e^{iS_\Psi[\varphi]}} {\displaystyle\int\mathcal D\bar\Psi\mathcal D\Psi\, e^{iS_\Psi[0]}}\\ &=\frac{\det(-iQ_\Psi)}{\det(-iQ_{\Psi,0})} =\frac{(-i)^{4N}\det Q_\Psi} {(-i)^{4N}\det Q_{\Psi,0}} =\frac{\det Q_\Psi}{\det Q_{\Psi,0}}, \qquad Z_\Psi[0]=1 . \end{aligned} \tag{53.20}

格拉斯曼积分只取有限多项式的最高次系数,因而这里不需要普通高斯积分的收敛条件。 归一比仍要求自由核可逆,并须对两项采用一致的真空边界处方。 与复标量相比,行列式幂的正负已经翻转;后面的统计差别都从这里产生。

为了看清旋量指标,把核与自由逆写为

(QΨ)αβ(x,y)=[(i∂̸x+m)αβgφ(x)δαβ]δ4(xy),(QΨ,0)αβ(x,y)=(i∂̸x+m)αβδ4(xy),(i∂̸x+m)αβSβγ(xy)=δαγδ4(xy),(IGΨ)αβ(x,y)=δαβδ4(xy)gSαβ(xy)φ(y).(53.21)\begin{aligned} (Q_\Psi)_{\alpha\beta}(x,y) &=\bigl[(-i\slashed\partial_x+m)_{\alpha\beta} -g\varphi(x)\delta_{\alpha\beta}\bigr]\delta^4(x-y),\\ (Q_{\Psi,0})_{\alpha\beta}(x,y) &=(-i\slashed\partial_x+m)_{\alpha\beta}\delta^4(x-y),\\ (-i\slashed\partial_x+m)_{\alpha\beta} S_{\beta\gamma}(x-y) &=\delta_{\alpha\gamma}\delta^4(x-y),\\ (I-G_\Psi)_{\alpha\beta}(x,y) &=\delta_{\alpha\beta}\delta^4(x-y) -gS_{\alpha\beta}(x-y)\varphi(y). \end{aligned} \tag{53.21}

重复旋量指标求和。最后一行中的背景仍在右侧, 所以GΨ=gQΨ,01ΦG_\Psi=gQ_{\Psi,0}^{-1}\Phi。 进行一次核乘法时,时空积分与中间旋量求和同时出现:

(QΨ,0GΨ)αγ(x,z)=d4y(QΨ,0)αβ(x,y)gSβγ(yz)φ(z)=g(i∂̸x+m)αβSβγ(xz)φ(z)=gδαγδ4(xz)φ(z).(53.22)\begin{aligned} &(Q_{\Psi,0}G_\Psi)_{\alpha\gamma}(x,z)\\ &\quad=\int d^4y\, (Q_{\Psi,0})_{\alpha\beta}(x,y) gS_{\beta\gamma}(y-z)\varphi(z)\\ &\quad=g(-i\slashed\partial_x+m)_{\alpha\beta} S_{\beta\gamma}(x-z)\varphi(z)\\ &\quad=g\delta_{\alpha\gamma}\delta^4(x-z)\varphi(z). \end{aligned} \tag{53.22}

这便证明QΨ=QΨ,0(IGΨ)Q_\Psi=Q_{\Psi,0}(I-G_\Psi),并确定了核乘法中的指标次序。消去自由行列式后,

ZΨ[φ]=det(IGΨ),iΓΨ[φ]=lnZΨ[φ]=Trln(IGΨ)=n=11nTrGΨn.(53.23)\begin{aligned} Z_\Psi[\varphi]&=\det(I-G_\Psi),\\ i\Gamma_\Psi[\varphi] =\ln Z_\Psi[\varphi] &=\operatorname{Tr}\ln(I-G_\Psi) =-\sum_{n=1}^{\infty}\frac1n\operatorname{Tr}G_\Psi^n . \end{aligned} \tag{53.23}

这里沿用复标量部分已经说明的对数分支与微扰解释。 大写的Tr\operatorname{Tr}现在还包括旋量指标;将时空迹展开以后, 小写的tr\operatorname{tr}只留给旋量矩阵:

TrGΨn=gnj=1nd4xjj=1nφ(xj)tr ⁣[S(x1x2)S(x2x3)S(xnx1)]=gnj=1nd4xjj=1nφ(xj)Sα1α2(x1x2)Sα2α3(x2x3)Sαnα1(xnx1).(53.24)\begin{aligned} \operatorname{Tr}G_\Psi^n &=g^n\int\prod_{j=1}^n d^4x_j\,\prod_{j=1}^n\varphi(x_j)\, \operatorname{tr}\!\left[ S(x_1-x_2)S(x_2-x_3)\cdots S(x_n-x_1)\right]\\ &=g^n\int\prod_{j=1}^n d^4x_j\,\prod_{j=1}^n\varphi(x_j)\, S_{\alpha_1\alpha_2}(x_1-x_2) S_{\alpha_2\alpha_3}(x_2-x_3)\cdots S_{\alpha_n\alpha_1}(x_n-x_1). \end{aligned} \tag{53.24}

首尾旋量指标相接便产生迹。这些SS一般不彼此对易, 只能整体循环移动,不能任意交换相邻因子。 因而选取圈的另一个起点不改变答案,逆序读圈却须重新按相应的有向收缩组织矩阵。 [S(xy)]=3[S(x-y)]=3,所以这次核的维数为0+3+1=40+3+1=4, 再次与坐标积分相抵。

费米子闭圈的负号

狄拉克图也只有双线性插入,所以循环起点的计数仍给1/n1/n。 如果先只把顶角、传播子和这个循环因子相乘,就会得到

(ig)nninj=1nd4xjj=1nφ(xj)tr ⁣[S(x1x2)S(xnx1)]=+1nTrGΨn.(53.25)\frac{(ig)^n}{n\,i^n} \int\prod_{j=1}^n d^4x_j\,\prod_{j=1}^n\varphi(x_j)\, \operatorname{tr}\!\left[ S(x_1-x_2)\cdots S(x_n-x_1)\right] =+\frac1n\operatorname{Tr}G_\Psi^n . \tag{53.25}

它与式(53.23)比较,还差一个整体负号。 行列式已经计入了格拉斯曼积分的统计效应,而刚才的图因子尚未计入。 下面用场的反交换次序把这个负号直接算出来。

记第jj个顶点中的两个奇变量为 Bj=Ψˉaj(xj)B_j=\bar\Psi_{a_j}(x_j)Aj=Ψbj(xj)A_j=\Psi_{b_j}(x_j),并记 Kjk=TAjBk0=Sbjak(xjxk)/iK_{jk}=\langle T A_jB_k\rangle_0 =S_{b_j a_k}(x_j-x_k)/i。 作用量里的次序为BjAjB_jA_j。为了应用已经建立的 费米Wick配对,先把所有AA移到所有BB的前面。 A1A_1须跨过一个BBA2A_2须跨过两个,依此类推,故

B1A1B2A2BnAn=(1)n(n+1)/2A1A2AnB1B2Bn.(53.26)B_1A_1B_2A_2\cdots B_nA_n =(-1)^{n(n+1)/2}A_1A_2\cdots A_nB_1B_2\cdots B_n . \tag{53.26}

对右侧先考虑AjA_jBjB_j配对的一项。 将B1B_1移到A1A_1旁边,须跨过n1n-1AA;去掉这一对后, B2B_2须跨过n2n-2个,直至最后一对无需移动。 因此这项收缩带(1)n(n1)/2(-1)^{n(n-1)/2}。 若改成AjA_jBπ(j)B_{\pi(j)}配对,重排BB序列还要乘上 sgnπ\operatorname{sgn}\pi。将所有配对相加,再合并前一步的符号,得到

TA1AnB1Bn0=(1)n(n1)/2πSnsgnπj=1nKj,π(j),Tj=1nBjAj0=(1)nπSnsgnπj=1nKj,π(j).(53.27)\begin{aligned} \langle T A_1\cdots A_nB_1\cdots B_n\rangle_0 &=(-1)^{n(n-1)/2} \sum_{\pi\in\mathfrak S_n}\operatorname{sgn}\pi \prod_{j=1}^n K_{j,\pi(j)},\\ \langle T\prod_{j=1}^n B_jA_j\rangle_0 &=(-1)^n \sum_{\pi\in\mathfrak S_n}\operatorname{sgn}\pi \prod_{j=1}^n K_{j,\pi(j)} . \end{aligned} \tag{53.27}

两次移动的指数之和为n2n^2,与nn具有相同奇偶性, 这说明第二行前面的(1)n(-1)^n从何而来。 现在把排列拆成c(π)c(\pi)个循环,长度分别为n1,,nc(π)n_1,\ldots,n_{c(\pi)}。 长度nan_a的循环由na1n_a-1次对换组成,故

sgnπ=a=1c(π)(1)na1=(1)nc(π),(1)nsgnπ=(1)c(π).(53.28)\operatorname{sgn}\pi =\prod_{a=1}^{c(\pi)}(-1)^{n_a-1} =(-1)^{n-c(\pi)},\qquad (-1)^n\operatorname{sgn}\pi=(-1)^{c(\pi)} . \tag{53.28}

每个循环就是一个闭圈,所以每个闭费米圈贡献一个负号, 而与圈上有多少个顶点无关。 对于一个连通圈,将这个号与式(53.25)相乘, 便有

CΨ,n[φ]=1nTrGΨn,iΓΨ[φ]=gTr(SΦ)g22Tr(SΦSΦ)+O(g3).(53.29)\begin{aligned} C_{\Psi,n}[\varphi]&=-\frac1n\operatorname{Tr}G_\Psi^n,\\ i\Gamma_\Psi[\varphi] &=-g\operatorname{Tr}(S\Phi) -\frac{g^2}{2}\operatorname{Tr}(S\Phi S\Phi)+O(g^3). \end{aligned} \tag{53.29}

最低两阶也可直接读出这个结果。 一个顶点给TB1A10=K11\langle T B_1A_1\rangle_0=-K_{11}。 两个顶点给K11K22K12K21K_{11}K_{22}-K_{12}K_{21}: 第一项是两个独立蝌蚪,属于指数展开中的乘积; 第二项才是连通圈,负号和二阶展开的1/2!1/2!共同给出上式的二次项。 这样,格拉斯曼配对、行列式正幂与图的闭圈规则得到了同一个答案。 本节未对相互作用作正规序;普通标量耦合允许蝌蚪及其它奇数插入项, 因此不能在圈和中自行删去奇数nn

背景的量子作用量与紫外项

最后说明Γ[φ]\Gamma[\varphi]为什么可以称为背景的量子作用量。 假设φ\varphi也有自己的作用量SφS_\varphi,以后还要对它积分。 先完成对χ\chi的积分,或先完成对Ψ\Psi的积分,会把原来的被积式改写为

DφeiSφ[φ]Z[φ]=Dφei{Sφ[φ]+Γ[φ]}.(53.30)\int\mathcal D\varphi\,e^{iS_\varphi[\varphi]}Z[\varphi] =\int\mathcal D\varphi\, e^{i\{S_\varphi[\varphi]+\Gamma[\varphi]\}} . \tag{53.30}

所以Γ\Gamma直接增加到φ\varphi的作用量中。 只要被积场在固定背景下仍是二次型,这次高斯积分便精确完成了对该场的积分。 它含有任意多个背景插入,但每个连通图都只有一个被积场的圈; φ\varphi自身的量子涨落则由余下的路径积分产生。 这与第21节通过勒让德变换定义完整有效作用量的步骤有所区别: 此处只完成了对其中一种场的积分。

还须处理圈的紫外发散。归一条件Z[0]=1Z[0]=1消去了无背景的自由真空因子, 但有背景插入的圈一般仍然发散。 以固定外动量考察大的欧几里得圈动量\ell, 标量传播子按2\ell^{-2}衰减,狄拉克传播子的上界按1\ell^{-1}衰减, 所以nn个插入的表面发散度为

ωχ,n=42n,ωΨ,n=4n.(53.31)\omega_{\chi,n}=4-2n,\qquad \omega_{\Psi,n}=4-n . \tag{53.31}

复标量的一次插入可产生线性背景项,二次插入可产生背景平方项。 狄拉克圈还可产生三次、四次背景项,二点圈对外动量的二次展开则产生动能项。 旋量迹会降低某些项的实际发散度:例如单插入中的 trℓ̸=0\operatorname{tr}\slashed\ell=0,留下的是 4m/(2+m2)4m/(\ell^2+m^2);三插入中最高的三次动量分子也因奇数gamma迹为零而消失。 因此质量非零时,允许的局部背景反项仍包括 φ,φ2,(φ)2,φ3,φ4\varphi,\varphi^2,(\partial\varphi)^2,\varphi^3,\varphi^4, 各自的系数须按所选调节和减除条件确定。 这些背景相关的紫外项由相应的局部反项减除,余下部分进入重整化后的背景作用量。

补充:实场与马约拉纳场的二分之一

两个例子都使用复变量。与第44节的实变量积分比较,还能看清 实标量和马约拉纳场的圈权重为什么各带一个二分之一。 这项比较不需要重新枚举所有图,只须保持二次作用量的归一化。

将复标量写成χ=(χ1+iχ2)/2\chi=(\chi_1+i\chi_2)/\sqrt2, 实背景与实耦合使作用量分成两个相同的实二次型。 每个实场的背景相互作用为gφχa2/2g\varphi\chi_a^2/2, 故两个相同实场泛函的乘积等于原来的复场泛函。 结合实高斯积分,在零背景附近选择相同的连续分支,

Zreal[φ]=det(IGχ)1/2,iΓreal=12n=11nTrGχn.(53.32)Z_{\rm real}[\varphi] =\det(I-G_\chi)^{-1/2},\qquad i\Gamma_{\rm real} =\frac12\sum_{n=1}^{\infty}\frac1n\operatorname{Tr}G_\chi^n . \tag{53.32}

拉氏量中的二分之一会被顶角上两个相同场的收缩数抵消, 所以单个顶角仍为igφig\varphi。 圈的总半因子反映的正是独立实自由度减半。

对于马约拉纳场,沿前文约定Ψˉ=ΨTC\bar\Psi=\Psi^T\mathcal C, 作用量写成12ΨTCQΨΨ-\frac12\Psi^T\mathcal C Q_\Psi\Psi。 这里的转置同时作用于旋量与时空基底; 在共同边界条件下(μ)T=μ(\partial_\mu)^T=-\partial_\mu。 利用γμTC=Cγμ\gamma^{\mu T}\mathcal C=-\mathcal C\gamma^\mu, 而标量背景的转置不变,便得到

QΨTC=(iγμTμ+mgφ)C=C(iγμμ+mgφ)=CQΨ,(CQΨ)T=CQΨ.(53.33)\begin{aligned} Q_\Psi^T\mathcal C &=\bigl(i\gamma^{\mu T}\partial_\mu+m-g\varphi\bigr)\mathcal C =\mathcal C(-i\gamma^\mu\partial_\mu+m-g\varphi) =\mathcal C Q_\Psi,\\ (\mathcal C Q_\Psi)^T&=-\mathcal C Q_\Psi . \end{aligned} \tag{53.33}

因此指数中的矩阵iCQΨ-i\mathcal C Q_\Psi反对称, 其格拉斯曼积分由Pfaffian给出。 对同一测度取零背景比值,再利用Pf(A)2=detA\operatorname{Pf}(A)^2=\det A, 可得

ZMaj[φ]=Pf(iCQΨ)Pf(iCQΨ,0),ZMaj[φ]2=detQΨdetQΨ,0=det(IGΨ),iΓMaj=12Trln(IGΨ)=12n=11nTrGΨn.(53.34)\begin{aligned} Z_{\mathrm{Maj}}[\varphi] &=\frac{\operatorname{Pf}(-i\mathcal C Q_\Psi)} {\operatorname{Pf}(-i\mathcal C Q_{\Psi,0})},\\ Z_{\mathrm{Maj}}[\varphi]^2 &=\frac{\det Q_\Psi}{\det Q_{\Psi,0}} =\det(I-G_\Psi),\\ i\Gamma_{\mathrm{Maj}} &=\frac12\operatorname{Tr}\ln(I-G_\Psi) =-\frac12\sum_{n=1}^{\infty}\frac1n\operatorname{Tr}G_\Psi^n . \end{aligned} \tag{53.34}

最后一行的分支从Z[0]=1Z[0]=1连续固定,前提是过程中没有核的零模。 它保留每圈的费米统计负号,同时把狄拉克的自由度减半。 因而在相同核与顶角归一化下,四种圈在iΓi\Gamma中的权重为

被积场nn次背景插入的系数
复标量+TrGχn/n+\operatorname{Tr}G_\chi^n/n
实标量+TrGχn/(2n)+\operatorname{Tr}G_\chi^n/(2n)
狄拉克场TrGΨn/n-\operatorname{Tr}G_\Psi^n/n
马约拉纳场TrGΨn/(2n)-\operatorname{Tr}G_\Psi^n/(2n)

普通积分与格拉斯曼积分决定统计号,实自由度与复自由度的数目决定半因子。 这两个区别在高斯积分中已经出现,展开成圈图以后仍须同时保留。


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文章标题:Srednicki §53 泛函行列式

文章作者:Whitney

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