系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
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,使它与实的背景函数φ(x)耦合:
Lχ=−∂μχ†∂μχ−m2χ†χ+gφχ†χ.(53.1)
这里φ(x)已经指定,路径积分只对χ,χ†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,则这一例子的g有质量维数一,
gφ与m2具有相同的量纲。
稍后狄拉克例子也记耦合为g,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]=∫Dχ†DχeiSχ[0]∫Dχ†DχeiSχ[φ],Zχ[0]=1.(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,
−∂μχ†∂μχ=−∂μ(χ†∂μχ)+χ†∂2χ,于是
Sχ[φ]=−∫d4xχ†(−∂2+m2−gφ)χ−∫∂ΩdΣμχ†∂μχ.(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+m2−gφ(x)]δ4(x−y),Sχ=−∫d4xd4yχ†(x)Qχ(x,y)χ(y).(53.4)
自由核提出后的余因子记为Q。
在有限基底中设χ有N个复坐标zj。
沿第44节的测度,zj=(xj+iyj)/2,
dNzdNzˉ=dNxdNy。
普通复高斯积分已给出
∫e−z†Az=(2π)N/detA,
只要A的厄米部分正定。
取A=iQχ,便得到本节所需的振荡积分:
∫dNzdNzˉe−izˉQχz=det(iQχ)(2π)N=detQχ(2π)Ni−N.(53.5)
例如对有限厄米核先作Qχ↦Qχ−iδI,
δ>0,则指数的实部为−δz†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,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[φ]detQχ,0.(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2π及i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
把Φ定义为乘法算符,(Φf)(x)=φ(x)f(x)。
自由部分与背景部分的分离为
Qχ=Qχ,0−gΦ,Qχ,0(x,y)=(−∂x2+m2)δ4(x−y),Qχ=Qχ,0(I−Gχ),Gχ=gQχ,0−1Φ.(53.7)
这一写法先要求自由核可逆。其逆取费曼传播子Δ,
沿本书定义满足
(−∂x2+m2)Δ(x−y)=δ4(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)Gχ(x,y)Qχ(x,y)=δ4(x−y),=gΔ(x−y)φ(y),=δ4(x−y)−gΔ(x−y)φ(y).(53.8)
背景必须在第二坐标处,因为先由Φ乘上背景,
再由Qχ,0−1传播。对一般非恒定的φ,
Φ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)Qχ(y,z)=Qχ,0(x,z)−g(−∂x2+m2)Δ(x−z)φ(z)=Qχ,0(x,z)−gδ4(x−z)φ(z)=[−∂x2+m2−gφ(x)]δ4(x−z).(53.9)
第二行的导数只作用于Δ(x−z),最后一步才用
φ(z)δ4(x−z)=φ(x)δ4(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(I−Gχ),Zχ[φ]=det(I−Gχ)−1.(53.10)
所用的det(AB)=detAdetB是普通矩阵的恒等式:
把AB的各列看成A作用在B的列上,行列式仍是这些列的交替多线性函数,
故等于detB乘上它在单位基底上的值detA。
因此这一步可在撤去调节以前完成。背景为零时Gχ=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),
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+N,其中a=0且Nr=0。
选定a的对数分支后,
lnJ=(lna)I+k=1∑r−1kak(−1)k+1Nk,TrlnJ=rlna,detJ=ar.(53.11)
N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。
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。
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=I−Gχ。在有限维下,
若某个次乘法矩阵范数满足∥Gχ∥<1,
对数可在单位阵附近按收敛级数定义:
ln(I−Gχ)=−n=1∑∞nGχn,lnZχ[φ]=n=1∑∞nTrGχn.(53.12)
分支从零背景的lnZχ[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/n还可以从一个积分清楚地看出。
令背景强度乘上参数t,并从t=0增加到一。
由det(I+hB)=1+hTrB+O(h2)得到
dtdlndet(I−tGχ)lndet(I−Gχ)=−Tr[(I−tGχ)−1Gχ],=−∫01dtr=0∑∞trTrGχr+1=−n=1∑∞nTrGχn.(53.13)
第一个等式可在相邻两点间分解
I−(t+h)Gχ=(I−tGχ)[I−h(I−tGχ)−1Gχ]后取行列式得到。
在∥Gχ∥<1时,诺伊曼级数在0≤t≤1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
TrGχTrGχ2TrGχn=g∫d4xΔ(0)φ(x),=g2∫d4xd4yΔ(x−y)φ(y)Δ(y−x)φ(x),=gn∫j=1∏nd4xjj=1∏n[Δ(xj−xj+1)φ(xj+1)],xn+1=x1.(53.14)
一般式由n次核乘法得到。
每个φ前后各有一条传播核,最后一条把链闭合。
Gχ作为算符无量纲;它的核有质量维数
[g]+[Δ]+[φ]=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。
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和一个χ†,而φ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
背景中的有向圈。黑点给出igφ(xj),
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和S/i。
先讨论复标量。沿本书的传播子定义,
⟨Tχ(x)χ†(y)⟩0=Δ(x−y)/i。
相互作用指数展开至n阶给出
Zχ[φ]∣gn=n!(ig)n∫j=1∏nd4xjφ(xj)π∈Sn∑j=1∏niΔ(xj−xπ(j)).(53.15)
这里排列π说明第j个χ与第π(j)个χ†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n个顶点的连通图,π必须是一个n循环。
固定从标签1开始读这个循环,剩下n−1个标签可以任意排列,
所以这样的收缩共有(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!相除,留下
Cχ,n[φ]=n!(n−1)!(ig)n∫j=1∏nd4xjφ(xj)j=1∏niΔ(xj−xj+1)=ngn∫j=1∏nd4xjj=1∏n[Δ(xj−xj+1)φ(xj+1)]=n1TrGχn.(53.16)
第一行的n个顶角各带一个i,n条传播线各带一个1/i,
二者完全相消。积掉所有坐标时,
∏jφ(xj)=∏jφ(xj+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/n来自沿有向圈选择起点的n种重复;
即对称因子S=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=1时这是单个插入上的蝌蚪;当n=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rn个各具n个插入的圈,总顶点数为
N=∑nnrn。把N个标签分成这些圈,给出
N!/∏n[(n!)rnrn!]种分组;
再对每组计入(n−1)!种单循环收缩,最后除以展开中的N!,
便得到每个圈的1/n及相同圈之间的1/rn!。
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=0∑∞rn!Cχ,n[φ]rn)=exp(n=1∑∞Cχ,n[φ]).(53.17)
定义Zχ=eiΓχ,并使Γχ[0]=0,于是
iΓχ[φ]=n=1∑∞n1TrGχn=−Trln(I−Gχ).(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)为指定背景。
这里采用普通标量耦合:
LΨSΨ=iΨˉ∂Ψ−mΨˉΨ+gφΨˉΨ,=−∫d4xΨˉ(−i∂+m−gφ)Ψ.(53.19)
这次[Ψ]=3/2,故在[φ]=1时g无量纲。
顶角是igφ乘旋量单位阵;前两章赝标量耦合中的γ5不出现在这里。
动能已经写成导数作用于Ψ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。
在有限基底中,将时空与旋量标签合成一个指标。
若共有N个时空基函数,就有4N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。
把A=−iQΨ代入,并与零背景积分相比,有
ZΨ[φ]=∫DΨˉDΨeiSΨ[0]∫DΨˉDΨeiSΨ[φ]=det(−iQΨ,0)det(−iQΨ)=(−i)4NdetQΨ,0(−i)4NdetQΨ=detQΨ,0detQΨ,ZΨ[0]=1.(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)(QΨ,0)αβ(x,y)(−i∂x+m)αβSβγ(x−y)(I−GΨ)αβ(x,y)=[(−i∂x+m)αβ−gφ(x)δαβ]δ4(x−y),=(−i∂x+m)αβδ4(x−y),=δαγδ4(x−y),=δαβδ4(x−y)−gSαβ(x−y)φ(y).(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,0−1Φ。
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(y−z)φ(z)=g(−i∂x+m)αβSβγ(x−z)φ(z)=gδαγδ4(x−z)φ(z).(53.22)
这便证明QΨ=QΨ,0(I−GΨ),并确定了核乘法中的指标次序。消去自由行列式后,
ZΨ[φ]iΓΨ[φ]=lnZΨ[φ]=det(I−GΨ),=Trln(I−GΨ)=−n=1∑∞n1TrGΨn.(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现在还包括旋量指标;将时空迹展开以后,
小写的tr只留给旋量矩阵:
TrGΨn=gn∫j=1∏nd4xjj=1∏nφ(xj)tr[S(x1−x2)S(x2−x3)⋯S(xn−x1)]=gn∫j=1∏nd4xjj=1∏nφ(xj)Sα1α2(x1−x2)Sα2α3(x2−x3)⋯Sαnα1(xn−x1).(53.24)
首尾旋量指标相接便产生迹。这些S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(x−y)]=3,所以这次核的维数为0+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/n。
如果先只把顶角、传播子和这个循环因子相乘,就会得到
nin(ig)n∫j=1∏nd4xjj=1∏nφ(xj)tr[S(x1−x2)⋯S(xn−x1)]=+n1TrGΨn.(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j个顶点中的两个奇变量为
Bj=Ψˉaj(xj)、Aj=Ψbj(xj),并记
Kjk=⟨TAjBk⟩0=Sbjak(xj−xk)/i。
作用量里的次序为BjAj。为了应用已经建立的
费米Wick配对,先把所有A移到所有B的前面。
A1须跨过一个B,A2须跨过两个,依此类推,故
B1A1B2A2⋯BnAn=(−1)n(n+1)/2A1A2⋯AnB1B2⋯Bn.(53.26)
对右侧先考虑Aj与Bj配对的一项。
将B1移到A1旁边,须跨过n−1个A;去掉这一对后,
B2须跨过n−2个,直至最后一对无需移动。
因此这项收缩带(−1)n(n−1)/2。
若改成Aj与Bπ(j)配对,重排B序列还要乘上
sgnπ。将所有配对相加,再合并前一步的符号,得到
⟨TA1⋯AnB1⋯Bn⟩0⟨Tj=1∏nBjAj⟩0=(−1)n(n−1)/2π∈Sn∑sgnπj=1∏nKj,π(j),=(−1)nπ∈Sn∑sgnπj=1∏nKj,π(j).(53.27)
两次移动的指数之和为n2,与n具有相同奇偶性,
这说明第二行前面的(−1)n从何而来。
现在把排列拆成c(π)个循环,长度分别为n1,…,nc(π)。
长度na的循环由na−1次对换组成,故
sgnπ=a=1∏c(π)(−1)na−1=(−1)n−c(π),(−1)nsgnπ=(−1)c(π).(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]iΓΨ[φ]=−n1TrGΨn,=−gTr(SΦ)−2g2Tr(SΦSΦ)+O(g3).(53.29)
最低两阶也可直接读出这个结果。
一个顶点给⟨TB1A1⟩0=−K11。
两个顶点给K11K22−K12K21:
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!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n。
背景的量子作用量与紫外项
最后说明Γ[φ]为什么可以称为背景的量子作用量。
假设φ也有自己的作用量Sφ,以后还要对它积分。
先完成对χ的积分,或先完成对Ψ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)
所以Γ直接增加到φ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]=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ℓ,
标量传播子按ℓ−2衰减,狄拉克传播子的上界按ℓ−1衰减,
所以n个插入的表面发散度为
ωχ,n=4−2n,ωΨ,n=4−n.(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
trℓ=0,留下的是
4m/(ℓ2+m2);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,
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,
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gφχa2/2,
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(I−Gχ)−1/2,iΓreal=21n=1∑∞n1TrGχn.(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igφ。
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,
作用量写成−21ΨTCQΨΨ。
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。
利用γμTC=−Cγμ,
而标量背景的转置不变,便得到
QΨTC(CQΨ)T=(iγμT∂μ+m−gφ)C=C(−iγμ∂μ+m−gφ)=CQΨ,=−CQΨ.(53.33)
因此指数中的矩阵−iCQΨ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,
可得
ZMaj[φ]ZMaj[φ]2iΓMaj=Pf(−iCQΨ,0)Pf(−iCQΨ),=detQΨ,0detQΨ=det(I−GΨ),=21Trln(I−GΨ)=−21n=1∑∞n1TrGΨn.(53.34)
最后一行的分支从Z[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iΓ中的权重为
| 被积场 | n次背景插入的系数 |
|---|
| 复标量 | +TrGχn/n |
| 实标量 | +TrGχn/(2n) |
| 狄拉克场 | −TrGΨn/n |
| 马约拉纳场 | −TrGΨn/(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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