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Srednicki §61 标量电动力学

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系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇

现在把带电物质换成自旋为零的粒子,仍要求它与电磁场的相互作用具有局域 U(1)U(1)对称性,便得到标量电动力学。 复标量场的动能含两个导数,协变导数展开后因而同时产生单光子顶角和双光子 顶角。这个差别将贯穿本节:它先出现在电流中,再决定费曼图的种类,最后使 两光子散射的纵向贡献恰好相消。

从复标量场引入电磁相互作用

第22节已讨论过具有整体相位对称性的复场。保留相同的四次项归一, 从拉氏量

Lscalar=−∂μφ†∂μφ−m2φ†φ−λ4(φ†φ)2(61.1)\mathcal L_{\rm scalar} =-\partial^\mu\varphi^\dagger\partial_\mu\varphi -m^2\varphi^\dagger\varphi -\frac{\lambda}{4}(\varphi^\dagger\varphi)^2 \tag{61.1}

出发。整体变换使φ\varphi与φ†\varphi^\dagger带相反相位,每个乘积中的 相位都抵消。如果让相位随位置变化,普通导数却会作用到它:

φ⟼e−iαφ,φ†⟼eiαφ†(α为常数),u(x)=e−ieΓ(x),φ′=uφ,φ′†=φ†u−1,∂μφ′=u ∂μφ−ie(∂μΓ)uφ.(61.2)\begin{gathered} \varphi\longmapsto e^{-i\alpha}\varphi,\qquad \varphi^\dagger\longmapsto e^{i\alpha}\varphi^\dagger \qquad(\alpha\text{为常数}),\\ u(x)=e^{-ie\Gamma(x)},\qquad \varphi'=u\varphi,\qquad \varphi'{}^\dagger=\varphi^\dagger u^{-1},\\ \partial_\mu\varphi' =u\,\partial_\mu\varphi-ie(\partial_\mu\Gamma)u\varphi . \end{gathered} \tag{61.2}

因此质量项和四次项已经适合局域对称性,动能还需要补偿最后一项。 电荷仍按第58节取e<0e<0。引入 Dμ=∂μ−ieAμD_\mu=\partial_\mu-ieA_\mu,并令Aμ′=Aμ−∂μΓA'_\mu=A_\mu-\partial_\mu\Gamma。 将它作用在变换后的场上,有

Dμ′(uφ)=(∂μ−ieAμ+ie∂μΓ)(uφ)=u∂μφ−ie(∂μΓ)uφ−ieAμuφ+ie(∂μΓ)uφ=uDμφ,Dμ′=uDμu−1.(61.3)\begin{aligned} D'_\mu(u\varphi) &=(\partial_\mu-ieA_\mu+ie\partial_\mu\Gamma)(u\varphi)\\ &=u\partial_\mu\varphi-ie(\partial_\mu\Gamma)u\varphi -ieA_\mu u\varphi+ie(\partial_\mu\Gamma)u\varphi\\ &=uD_\mu\varphi,\qquad D'_\mu=uD_\mu u^{-1}. \end{aligned} \tag{61.3}

最后一个等号是作用于右侧场的算符等式。 于是DμφD_\mu\varphi与φ\varphi具有同一个相位,而其厄米共轭具有相反相位。 电磁场强的变化为 Fμν′−Fμν=−∂μ∂νΓ+∂ν∂μΓ=0F'_{\mu\nu}-F_{\mu\nu}=-\partial_\mu\partial_\nu\Gamma +\partial_\nu\partial_\mu\Gamma=0,故麦克斯韦动能也可同时加入。 于是得到规范不变的拉氏量:

L=−(Dμφ)†Dμφ−m2φ†φ−λ4(φ†φ)2−14FμνFμν.(61.4)\mathcal L =-(D^\mu\varphi)^\dagger D_\mu\varphi -m^2\varphi^\dagger\varphi -\frac{\lambda}{4}(\varphi^\dagger\varphi)^2 -\frac14F^{\mu\nu}F_{\mu\nu}. \tag{61.4}

这里仍取四维度规(−,+,+,+)(-,+,+,+)。动能给出[φ]=[A]=1[\varphi]=[A]=1,因而 [e]=[λ]=0[e]=[\lambda]=0、[m]=1[m]=1。以下取m2>0m^2>0、λ≥0\lambda\ge0,在零场真空附近作微扰; 求树级散射时把重整化因子置为1。

四次耦合不仅是幂次计数允许的一项,电磁圈修正本身也会 产生这种局域结构。用一个补充计算可以看清这一点。暂取λ=0\lambda=0,以 勒让德源固定常背景φ0\varphi_0,记ρ0=∣φ0∣2\rho_0=|\varphi_0|^2。 用整体相位将背景取成实数,写φ=(v+η+iχ)/2\varphi=(v+\eta+i\chi)/\sqrt2, φ0=v/2\varphi_0=v/\sqrt2。欧氏动能中的相位部分为 (∂χ−evAE)2/2(\partial\chi-evA_E)^2/2。在朗道规范中,混合项分部积分后消失; 按相同的边界条件略去表面项,便有

∫d4xE (−evAEμ∂μχ)=∫d4xE evχ ∂μAEμ=0,MA2=e2v2=2e2ρ0,U1,A(ρ0)=32∫d4ℓE(2π)4ln⁡(ℓE2+MA2).(61.5)\begin{gathered} \int d^4x_E\,(-evA_E^\mu\partial_\mu\chi) =\int d^4x_E\,ev\chi\,\partial_\mu A_E^\mu=0,\\ M_A^2=e^2v^2=2e^2\rho_0,\qquad U_{1,A}(\rho_0)=\frac32\int\frac{d^4\ell_E}{(2\pi)^4} \ln(\ell_E^2+M_A^2). \end{gathered} \tag{61.5}

在λ=0\lambda=0时,两个标量的二次质量不依赖ρ0\rho_0, 所以这里的背景依赖只来自光子。因子3是欧氏四维中垂直于ℓE\ell_E的三个分量,1/21/2来自每个实高斯变量的 行列式,已在第53节推导。阿贝尔规范固定的行列式 与此背景无关。只考察κ<∣ℓE∣<Λ\kappa<|\ell_E|<\Lambda、κ2≫MA2\kappa^2\gg M_A^2的 高动量区间,将对数展开到(MA2/ℓE2)2(M_A^2/\ell_E^2)^2,四次背景项为

ln⁡(ℓE2+MA2)=ln⁡ℓE2+MA2ℓE2−MA42ℓE4+O ⁣(MA6ℓE6),U1,A∣ρ02=−3e4ρ022π2(2π)4∫κΛdℓEℓE=−3e4ρ028π2ln⁡Λκ.(61.6)\begin{aligned} \ln(\ell_E^2+M_A^2) &=\ln\ell_E^2+\frac{M_A^2}{\ell_E^2} -\frac{M_A^4}{2\ell_E^4} +O\!\left(\frac{M_A^6}{\ell_E^6}\right),\\ U_{1,A}\big|_{\rho_0^2} &=-3e^4\rho_0^2 \frac{2\pi^2}{(2\pi)^4}\int_\kappa^\Lambda\frac{d\ell_E}{\ell_E} =-\frac{3e^4\rho_0^2}{8\pi^2}\ln\frac{\Lambda}{\kappa}. \end{aligned} \tag{61.6}

这里球面面积2π22\pi^2与径向测度ℓE3dℓE\ell_E^3d\ell_E都已计入。更高项的 高动量积分至多为O(MA6/κ2)O(M_A^6/\kappa^2),不能消去显示的四次对数。 真空能、质量及动能反项的场依赖也各不相同,因此必须允许一个 (φ†φ)2(\varphi^\dagger\varphi)^2反项。重整化耦合仍可在某一尺度选为零, 但不能从裸作用量中永久删去这一参数。下面的树级散射改用费曼规范。

电流为何含有电磁势

局域相位变换包含整体相位变换,故仍可按第22节求诺特流。 把φ,φ†\varphi,\varphi^\dagger看作独立变分坐标,先对各自的导数求偏导,再乘 单位相位变分−iφ,+iφ†-i\varphi,+i\varphi^\dagger,得到

∂L∂(∂μφ)=−(Dμφ)†,∂L∂(∂μφ†)=−Dμφ,jμ=−(Dμφ)†(−iφ)−(Dμφ)(iφ†)=−i[φ†Dμφ−(Dμφ)†φ].(61.7)\begin{aligned} \frac{\partial\mathcal L}{\partial(\partial_\mu\varphi)} &=-(D^\mu\varphi)^\dagger,\qquad \frac{\partial\mathcal L}{\partial(\partial_\mu\varphi^\dagger)} =-D^\mu\varphi,\\ j^\mu &=-(D^\mu\varphi)^\dagger(-i\varphi) -(D^\mu\varphi)(i\varphi^\dagger)\\ &=-i\left[\varphi^\dagger D^\mu\varphi -(D^\mu\varphi)^\dagger\varphi\right]. \end{aligned} \tag{61.7}

这里先按经典场求流,场分量可交换。jμj^\mu按单位相位变换定义,不含总体电荷ee;电磁流另记为Jμ=ejμJ^\mu=e j^\mu。第58节的带电荷流在本节对应JμJ^\mu。 对φ†\varphi^\dagger变分,动能分部积分一次给出DμDμφD_\mu D^\mu\varphi; 势的导数为(m2+λφ†φ/2)φ(m^2+\lambda\varphi^\dagger\varphi/2)\varphi。 由这份场方程及其共轭,电流的守恒成为

DμDμφ=(m2+λ2φ†φ)φ,∂μjμ=−i[φ†DμDμφ−(DμDμφ)†φ]=0.(61.8)\begin{aligned} D_\mu D^\mu\varphi &=\left(m^2+\frac{\lambda}{2}\varphi^\dagger\varphi\right)\varphi,\\ \partial_\mu j^\mu &=-i\left[\varphi^\dagger D_\mu D^\mu\varphi -(D_\mu D^\mu\varphi)^\dagger\varphi\right]=0 . \end{aligned} \tag{61.8}

求散度时两个一阶导数的乘积相消;将普通导数合成协变导数时,相反电荷的 两项又消去显式连接项。最后两份场方程含相同的实系数 m2+λφ†φ/2m^2+\lambda\varphi^\dagger\varphi/2,所以剩余差为零。

与旋量流ΨˉγμΨ\bar\Psi\gamma^\mu\Psi相比,标量流已经含AμA^\mu。 将协变导数实际展开,可以同时看见这一项的系数和它的必要性:

j0μ:=−i[φ†∂μφ−(∂μφ†)φ],jμ=j0μ−2eAμφ†φ,Jμ=ejμ=∂Lmatter∂Aμ,j0′μ=j0μ−2e(∂μΓ)φ†φ,−2eA′μφ′†φ′=−2eAμφ†φ+2e(∂μΓ)φ†φ.(61.9)\begin{aligned} j_0^\mu &:=-i\left[\varphi^\dagger\partial^\mu\varphi -(\partial^\mu\varphi^\dagger)\varphi\right],\\ j^\mu&=j_0^\mu-2eA^\mu\varphi^\dagger\varphi,\qquad J^\mu=e j^\mu =\frac{\partial\mathcal L_{\rm matter}}{\partial A_\mu},\\ j_0'{}^\mu&=j_0^\mu-2e(\partial^\mu\Gamma)\varphi^\dagger\varphi,\\ -2eA'{}^\mu\varphi'{}^\dagger\varphi' &=-2eA^\mu\varphi^\dagger\varphi +2e(\partial^\mu\Gamma)\varphi^\dagger\varphi . \end{aligned} \tag{61.9}

第三行的两份相位导数各给−e ∂μΓ-e\,\partial^\mu\Gamma,第四行则恰好补回。 因此完整jμj^\mu规范不变。这个电流作为麦克斯韦方程的源, 满足沿第54节约定的∂νFμν=Jμ\partial_\nu F^{\mu\nu}=J^\mu。 由于它本身依赖AA,相互作用不能简单地把完整JJ乘一次AA: 拉氏量中的二光子项必须按式(61.4)展开,才能得到正确系数。

有方向的标量线与三个顶角

量子化沿用第58节的联合规范固定。 一个规范轨道同时改变带电场与电磁势;复标量的相位变换在两个实分量上是 行列式为1的旋转。采用相同的边界条件和相容调节定义后,洛伦茨规范的 阿贝尔行列式仍与场无关。取费曼规范ξ=1\xi=1,光子内线可直接沿用 前面的结果,接下来只需接上复标量的内外线。

沿第22节的a,ba,b记号,自由或渐近复场为

φ(x)=∫dk~ [a(k)eikx+b†(k)e−ikx],φ†(x)=∫dk~ [b(k)eikx+a†(k)e−ikx],dk~=d3k(2π)3 2ωk,kx=k⋅x−ωkt.(61.10)\begin{aligned} \varphi(x)&=\int d\widetilde k\, \left[a(\mathbf k)e^{ikx}+b^\dagger(\mathbf k)e^{-ikx}\right],\\ \varphi^\dagger(x)&=\int d\widetilde k\, \left[b(\mathbf k)e^{ikx}+a^\dagger(\mathbf k)e^{-ikx}\right],\\ d\widetilde k&=\frac{d^3k}{(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf k}}, \qquad kx=\mathbf k\cdot\mathbf x-\omega_{\mathbf k}t . \end{aligned} \tag{61.10}

两套产生湮灭算符服从玻色对易关系,非零对易子均为 (2π)3 2ωkδ3(k−k′)(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf k}\delta^3(\mathbf k-\mathbf k')。 第22节的荷计算乘上ee后给Qem=e(Na−Nb)Q_{\rm em}=e(N_a-N_b),所以 a†a^\dagger产生电荷+e<0+e<0的标量电子, b†b^\dagger产生电荷−e>0-e>0的标量正电子。 这两个名称在本节只指该模型的两类自旋零粒子。

令∣k⟩=a†(k)∣0⟩|k\rangle=a^\dagger(\mathbf k)|0\rangle。收缩湮灭算符与a†a^\dagger, 动量δ函数消去积分,2ωk2\omega_{\mathbf k}恰好抵消测度中的分母,因此

⟨0∣φ(x)∣k⟩=eikx,⟨0∣φ†(x)∣k⟩=0,⟨k′∣φ†(x)∣0⟩=e−ik′x,⟨k′∣φ(x)∣0⟩=0.(61.11)\begin{aligned} \langle0|\varphi(x)|k\rangle&=e^{ikx},& \langle0|\varphi^\dagger(x)|k\rangle&=0,\\ \langle k'|\varphi^\dagger(x)|0\rangle&=e^{-ik'x},& \langle k'|\varphi(x)|0\rangle&=0 . \end{aligned} \tag{61.11}

零式使用了混合对易子为零及真空被湮灭算符湮灭。对标量正电子交换φ\varphi与 φ†\varphi^\dagger即可;剥去外平面波后,四类标量外线的因子均为1。

内线也可从两实场立即确定。写φ=(φ1+iφ2)/2\varphi=(\varphi_1+i\varphi_2)/\sqrt2, 自由拉氏量分成两个相同的实标量拉氏量;混合收缩为零,两份同类收缩相同, 故

⟨Tφ(x)φ†(y)⟩0=12[⟨Tφ1(x)φ1(y)⟩0+⟨Tφ2(x)φ2(y)⟩0]=∫d4k(2π)4−i eik(x−y)k2+m2−i0,⟨Tφ(x)φ(y)⟩0=⟨Tφ†(x)φ†(y)⟩0=0.(61.12)\begin{aligned} \langle{\rm T}\varphi(x)\varphi^\dagger(y)\rangle_0 &=\frac12\left[ \langle{\rm T}\varphi_1(x)\varphi_1(y)\rangle_0+ \langle{\rm T}\varphi_2(x)\varphi_2(y)\rangle_0\right]\\ &=\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4} \frac{-i\,e^{ik(x-y)}}{k^2+m^2-i0},\\ \langle{\rm T}\varphi(x)\varphi(y)\rangle_0 &=\langle{\rm T}\varphi^\dagger(x)\varphi^\dagger(y)\rangle_0=0 . \end{aligned} \tag{61.12}

最后一行是两实场收缩的差,系数中的i2=−1i^2=-1使其相消。 因而每条非零内线总是一端接φ\varphi、另一端接φ†\varphi^\dagger, 用连续箭头记录这一电荷流向,便可将标量线与光子顶角相接。

展开式(61.4)中的两个协变导数, 一个来自共轭场的+ieAμ+ieA^\mu与另一个来自φ\varphi的−ieAμ-ieA_\mu相乘, 再保留动能前面的负号,得到相互作用项:

L1=ieAμ[(∂μφ†)φ−φ†∂μφ]−e2AμAμφ†φ−λ4(φ†φ)2.(61.13)\mathcal L_1 =ieA^\mu\left[(\partial_\mu\varphi^\dagger)\varphi -\varphi^\dagger\partial_\mu\varphi\right] -e^2A^\mu A_\mu\varphi^\dagger\varphi -\frac{\lambda}{4}(\varphi^\dagger\varphi)^2 . \tag{61.13}

三价顶角中的导数作用在哪一端,决定其动量符号。求连接入、出两条标量外腿 的树顶角矩阵元,等价地在这一步对插入作正规序,式 (61.11)分别给

⟨k′∣:(∂μφ†)φ:∣k⟩=(−ikμ′)e−ik′xeikx,⟨k′∣:φ†∂μφ:∣k⟩=e−ik′x(ikμ)eikx.(61.14)\begin{aligned} \langle k'|{:}(\partial_\mu\varphi^\dagger)\varphi{:}|k\rangle &=(-ik'_\mu)e^{-ik'x}e^{ikx},\\ \langle k'|{:}\varphi^\dagger\partial_\mu\varphi{:}|k\rangle &=e^{-ik'x}(ik_\mu)e^{ikx}. \end{aligned} \tag{61.14}

正规序去掉同点的真空收缩,保留连接两条外腿的这两项。 将两项的系数与iS1iS_1中的ii相乘,剥去共同的外平面波后,

iVμ(k′,k)=i(ie)[(−ikμ′)−(ikμ)]=ie(k+k′)μ.(61.15)iV_\mu(k',k) =i(ie)\left[(-ik'_\mu)-(ik_\mu)\right] =ie(k+k')_\mu . \tag{61.15}

这里kk沿标量箭头进入顶角,k′k'沿同一箭头离开顶角。 若改用所有腿都入射的动量,φ†\varphi^\dagger腿的动量便为−k′-k', 同一个因子相应写成入φ\varphi动量减去入φ†\varphi^\dagger动量。 指定方向之后,导数顶角的动量和与差就没有歧义。

其余两个顶角只需数相同场的排列。两光子接触项有两种光子收缩次序, 两个标量场却不同;四标量项中两个φ\varphi和两个φ†\varphi^\dagger各有 两种排列。因此

iVμνAAφ†φ=i(−e2) 2! gμν=−2ie2gμν,iV(φ†)2φ2=i(−λ4)(2!)(2!)=−iλ.(61.16)\begin{aligned} iV_{\mu\nu}^{AA\varphi^\dagger\varphi} &=i(-e^2)\,2!\,g_{\mu\nu}=-2ie^2g_{\mu\nu},\\ iV^{(\varphi^\dagger)^2\varphi^2} &=i\left(-\frac{\lambda}{4}\right)(2!)(2!)=-i\lambda . \end{aligned} \tag{61.16}

顶角因子已包括这些排列,画出一幅接触图后不再为它另乘一个2!2!。 图61a把三种顶角集中画出。

标量电动力学的单光子、双光子及四标量顶角与因子

图61a:标量电动力学的三个顶角。虚线箭头记录标量电荷流, 左图的k,k′k,k'沿同一箭头;中图连接两条光子与一入一出的标量线; 右图有两条箭头进入、两条箭头离开。波浪线分别带光子指标, 顶角取下指标,与偏振或内光子的上指标连接。

三价顶角还有一个有用的检验。让光子动量h=k′−kh=k'-k进入顶角,收缩其指标, 两个标量动量的交叉项相消,得到

hμiVμ(k′,k)=ie(k′2−k2)=ie[(k′2+m2)−(k2+m2)].(61.17)h^\mu iV_\mu(k',k) =ie(k'^2-k^2) =ie\left[(k'^2+m^2)-(k^2+m^2)\right]. \tag{61.17}

右边是两个自由标量逆核的差,甚至不要求这两条标量线在质量壳上。 当某条标量是内线时,这个差可以消去其传播子分母,后面的规范抵消就由此发生。

怎样使用树图规则

有了内外线和顶角因子,便可以按以下顺序计算树级振幅。 先画出所有外线,并用下表把粒子种类、物理动量和沿箭头的动量联系起来。 表中的pp均为正能物理动量,“进入”与“离开”指相对于相连顶角的方向。

外线箭头方向沿箭头标的动量外线因子
入标量电子进入pp11
出标量电子离开pp11
入标量正电子离开−p-p11
出标量正电子进入−p-p11
入光子进入ppελμ∗(p)\varepsilon_\lambda^{\mu*}(p)
出光子离开ppελμ(p)\varepsilon_\lambda^\mu(p)

例如一条入标量正电子线虽然带正能物理动量pp,它的电荷箭头却离开图, 故必须标−p-p才能在每个顶角使用同一种动量守恒。两类标量都是玻色子, 交换同类外线不会产生费米统计的负号。光子箭头只标物理动量方向, 其入射因子的星号仍来自第55、56节的场展开。

用图61a的三种顶角连接这些外线,列出拓扑不同的所有连通树图。 每条内部标量线的箭头应连续通过顶角,内部光子任选一个动量方向即可; 按箭头的正负号逐顶角守恒,树图全部内动量由外动量确定。随后乘上下列因子:

图的组成因子
单光子标量顶角ie(k+k′)μie(k+k')_\mu
双光子标量接触顶角−2ie2gμν-2ie^2g_{\mu\nu}
四标量顶角−iλ-i\lambda
内部光子−igμν/(k2−i0)-ig^{\mu\nu}/(k^2-i0)
内部标量−i/(k2+m2−i0)-i/(k^2+m^2-i0)

各光子指标按连线缩并,同一树图中的所有因子相乘,最后把各图相加, 所得为iTi\mathcal T。这里的1/i=−i1/i=-i已包括在每条内线中; 振幅T\mathcal T还要除去图之和外面的总ii。下面的三个图会具体显示 这种记号怎样同时固定交换项和接触项的相对符号。

标量电子正电子湮灭的三幅图

考虑一对标量电子正电子湮灭为两个光子。 用p,qp,q分别表示入射标量电子、正电子的动量,用k,lk,l 表示两个出光子的动量,均取正能。定义

p+q=k+l,p2=q2=−m2,k2=l2=0,s=−(p+q)2,t=−(p−k)2,u=−(p−l)2,s+t+u=2m2,dt=m2−t,du=m2−u,dt+du=s.(61.18)\begin{aligned} p+q&=k+l,\qquad p^2=q^2=-m^2,\qquad k^2=l^2=0,\\ s&=-(p+q)^2,\qquad t=-(p-k)^2,\qquad u=-(p-l)^2,\\ s+t+u&=2m^2,\qquad d_t=m^2-t,\qquad d_u=m^2-u,\qquad d_t+d_u=s . \end{aligned} \tag{61.18}

与第59节相同,两个光子可以按两种次序接在有方向的带电线上。 现在还存在一个把两光子直接连在同一顶角的接触图,故共有图61b的三项。 数腿也能确定图已列全。记三类顶角数为V3,VAA,V4V_3,V_{AA},V_4, 四外腿的树图满足V3+2VAA+2V4=2V_3+2V_{AA}+2V_4=2。 若V4=1V_4=1,其余顶角数只能为零,便没有光子外腿; 允许的情形因而只有V3=2V_3=2或VAA=1V_{AA}=1。 前者给两种光子次序,后者给一幅接触图。因此本过程的树幅只含e2e^2,不含λ\lambda。

标量电子正电子湮灭的两幅交换图及双光子接触图

图61b:两幅交换图与一幅接触图。两幅交换图的内部标量箭头 分别带p−kp-k与p−lp-l,入标量正电子端沿箭头标−q-q。 例如左图下顶角有p−k=l−qp-k=l-q;第二图的下光子为kk, 该顶角的动量守恒为p−l=k−qp-l=k-q。 接触图的两条光子同接一顶角,图间相加,其耦合系数的负号已包括在顶角中。

先读左图。上顶角沿标量线进入、离开的动量为p,p−kp,p-k,其和为2p−k2p-k; 下顶角则为p−k,−qp-k,-q,其和为p−k−q=l−2qp-k-q=l-2q。乘入两个出光子偏振, 得到

iTt=(ie)2−i(p−k)2+m2−i0 (2p−k)μεkμ(p−k−q)νεlν=ie2 (2p−k)μ(l−2q)νdt εkμεlν.(61.19)\begin{aligned} i\mathcal T_t &=(ie)^2\frac{-i}{(p-k)^2+m^2-i0}\, (2p-k)_\mu\varepsilon_k^\mu (p-k-q)_\nu\varepsilon_l^\nu\\ &=ie^2\, \frac{(2p-k)_\mu(l-2q)_\nu}{d_t}\, \varepsilon_k^\mu\varepsilon_l^\nu . \end{aligned} \tag{61.19}

最后一行用了(ie)2(−i)=ie2(ie)^2(-i)=ie^2。在m>0m>0的湮灭物理区, 第59节相同的运动学给dt=s(1−βcos⁡θ)/2>0d_t=s(1-\beta\cos\theta)/2>0、 du=s(1+βcos⁡θ)/2>0d_u=s(1+\beta\cos\theta)/2>0,其中β=1−4m2/s<1\beta=\sqrt{1-4m^2/s}<1。 两个内线没有落在极点上,因此这里可以取实分母。 交换k,lk,l得到第二幅图,接触图则直接给 −2ie2gμνεkμεlν-2ie^2g_{\mu\nu}\varepsilon_k^\mu\varepsilon_l^\nu。 除去共同ii后,把总幅写成

T=εkμεlνMμν,Mμν=−e2[(2p−k)μ(2q−l)νdt+(2q−k)μ(2p−l)νdu+2gμν].(61.20)\begin{aligned} \mathcal T&=\varepsilon_k^\mu\varepsilon_l^\nu M_{\mu\nu},\\ M_{\mu\nu} &=-e^2\left[ \frac{(2p-k)_\mu(2q-l)_\nu}{d_t} +\frac{(2q-k)_\mu(2p-l)_\nu}{d_u} +2g_{\mu\nu}\right]. \end{aligned} \tag{61.20}

这个张量尚未使用外偏振的横向性。 每个交换项的分子、分母质量维数都是2,接触项也无量纲。 本节保留树幅的e2e^2阶及模方的e4e^4阶;标量质量完整保留, 圈修正及相应反项不包括在下面的散射结果内。

对实际出光子,k⋅εk=l⋅εl=0k\cdot\varepsilon_k=l\cdot\varepsilon_l=0。 所以第一项的两个分子可分别化成2p⋅εk2p\cdot\varepsilon_k和 2q⋅εl2q\cdot\varepsilon_l,第二项也一样。于是振幅简化为

T=−e2[4(p⋅εk)(q⋅εl)dt+4(q⋅εk)(p⋅εl)du+2εk⋅εl].(61.21)\mathcal T=-e^2\left[ \frac{4(p\cdot\varepsilon_k)(q\cdot\varepsilon_l)}{d_t} +\frac{4(q\cdot\varepsilon_k)(p\cdot\varepsilon_l)}{d_u} +2\varepsilon_k\cdot\varepsilon_l\right]. \tag{61.21}

在计算指定偏振时,这种形式最方便。若要用度规作偏振和, 则须先回到完整张量,弄清哪些分量已在这次化简中被删去了。

接触图与偏振求和

将一条外光子的偏振换成它的动量,标量顶角的逆核差 (61.17)就会消去内部传播子。 在当前运动学下,所需四个收缩具体为

k⋅(2p−k)=−dt,k⋅(2q−k)=−du,l⋅(2q−l)=−dt,l⋅(2p−l)=−du.(61.22)\begin{aligned} k\cdot(2p-k)&=-d_t,& k\cdot(2q-k)&=-d_u,\\ l\cdot(2q-l)&=-d_t,& l\cdot(2p-l)&=-d_u . \end{aligned} \tag{61.22}

例如t=m2+2p⋅kt=m^2+2p\cdot k,所以2p⋅k=−dt2p\cdot k=-d_t; 另外三式由p+q=k+lp+q=k+l及外腿在壳条件得到。逐项作用到 式(61.20)上,两条沃德恒等式便是

kμMμν=−e2[−(2q−l)ν−(2p−l)ν+2kν]=0,lνMμν=−e2[−(2p−k)μ−(2q−k)μ+2lμ]=0.(61.23)\begin{aligned} k^\mu M_{\mu\nu} &=-e^2\left[-(2q-l)_\nu-(2p-l)_\nu+2k_\nu\right]=0,\\ l^\nu M_{\mu\nu} &=-e^2\left[-(2p-k)_\mu-(2q-k)_\mu+2l_\mu\right]=0 . \end{aligned} \tag{61.23}

每行最后都用p+q=k+lp+q=k+l。若只保留两幅交换图,它们在第一行留下 2e2kν2e^2k_\nu,在第二行留下2e2lμ2e^2l_\mu;接触图正好将其消去。 这样,电流中显含AA的项、双光子顶角的因子2以及散射幅的规范不变性, 便成为同一协变动能在三个计算中的表现。

现在可以沿第59节的物理投影求偏振和。 取一个单位类时矢量nn来指定时间方向;展开横向投影后有

Pμρ(k;n)=gμρ−kμnρ+nμkρk⋅n+n2kμkρ(k⋅n)2,n2=−1,A:=∑λk,λl∣T∣2=Pμρ(k;n)Pνσ(l;n)MμνMρσ∗=MμνMμν∗.(61.24)\begin{aligned} P^{\mu\rho}(k;n) &=g^{\mu\rho} -\frac{k^\mu n^\rho+n^\mu k^\rho}{k\cdot n} +\frac{n^2k^\mu k^\rho}{(k\cdot n)^2},\qquad n^2=-1,\\ \mathcal A &:=\sum_{\lambda_k,\lambda_l}|\mathcal T|^2 =P^{\mu\rho}(k;n)P^{\nu\sigma}(l;n) M_{\mu\nu}M_{\rho\sigma}^* =M_{\mu\nu}M^{\mu\nu *}. \end{aligned} \tag{61.24}

投影中每个非度规项都含一个该光子的动量。 无论它收缩在振幅还是共轭幅一侧,式(61.23) 都会使其消失。因此可用度规求偏振和。两个初态标量各只有一种自旋, 这里不再附加自旋平均因子。

对已化简的振幅,情况有所不同。 将式(61.21)中已经用过横向性的系数另记为KμνK_{\mu\nu},则

Kμν=−e2[4pμqνdt+4qμpνdu+2gμν],kμKμν=2e2lν,lνKμν=2e2kμ.(61.25)\begin{aligned} K_{\mu\nu} &=-e^2\left[ \frac{4p_\mu q_\nu}{d_t} +\frac{4q_\mu p_\nu}{d_u}+2g_{\mu\nu}\right],\\ k^\mu K_{\mu\nu}&=2e^2l_\nu,\qquad l^\nu K_{\mu\nu}=2e^2k_\mu . \end{aligned} \tag{61.25}

例如第一条收缩留下 −e2[−2qν−2pν+2kν]=2e2lν-e^2[-2q_\nu-2p_\nu+2k_\nu]=2e^2l_\nu。 它再乘另一个物理偏振仍为零,所以简化幅本身正确; 但对自由指标的收缩没有变为零,不能把两个物理投影都直接去掉。 下面先用两个物理偏振求和,再计算两次度规收缩产生的额外项。 下文也从完整MμνM_{\mu\nu}作协变缩并,核对这一结果。

把偏振和实际算完

取质心系,并将入射标量电子的空间动量放在第三轴, 第一个光子放在第一、三轴构成的散射平面内:

p=E(1,0,0,β),q=E(1,0,0,−β),k=E(1,sin⁡θ,0,cos⁡θ),l=E(1,−sin⁡θ,0,−cos⁡θ),E=s2,β2=1−m2E2,c=cos⁡θ,dt=2E2(1−βc),du=2E2(1+βc),1dt+1du=1E2(1−β2c2).(61.26)\begin{aligned} p&=E(1,0,0,\beta),\qquad q=E(1,0,0,-\beta),\\ k&=E(1,\sin\theta,0,\cos\theta),\qquad l=E(1,-\sin\theta,0,-\cos\theta),\\ E&=\frac{\sqrt s}{2},\qquad \beta^2=1-\frac{m^2}{E^2},\qquad c=\cos\theta,\\ d_t&=2E^2(1-\beta c),\qquad d_u=2E^2(1+\beta c),\\ \frac1{d_t}+\frac1{d_u} &=\frac{1}{E^2(1-\beta^2c^2)} . \end{aligned} \tag{61.26}

两光子的空间方向相反,因而可以共用两根实的单位横向矢量: 一根在散射平面内,另一根垂直于该平面。

ε∥=(0,c,0,−sin⁡θ),ε⊥=(0,0,1,0),εa⋅εb=δab,k⋅εa=l⋅εa=0,p⋅ε∥=−βEsin⁡θ,q⋅ε∥=+βEsin⁡θ,p⋅ε⊥=q⋅ε⊥=0.(61.27)\begin{aligned} \varepsilon_\parallel&=(0,c,0,-\sin\theta),\qquad \varepsilon_\perp=(0,0,1,0),\\ \varepsilon_a\cdot\varepsilon_b&=\delta_{ab},\qquad k\cdot\varepsilon_a=l\cdot\varepsilon_a=0,\\ p\cdot\varepsilon_\parallel&=-\beta E\sin\theta,\qquad q\cdot\varepsilon_\parallel=+\beta E\sin\theta,\\ p\cdot\varepsilon_\perp&=q\cdot\varepsilon_\perp=0 . \end{aligned} \tag{61.27}

改变偏振基不会改变两种偏振的总和。选线偏振的好处是所有内积都为实数, 而且混合偏振立即消失:两个交换项各含一个零内积,接触项也因 ε∥⋅ε⊥=0\varepsilon_\parallel\cdot\varepsilon_\perp=0而为零。 两个相同偏振的幅由式(61.21)成为

T∥∥=−e2[−4β2E2(1−c2)(1dt+1du)+2]=−2e2[1−2β2(1−c2)1−β2c2],T⊥⊥=−2e2,T∥⊥=T⊥∥=0.(61.28)\begin{aligned} \mathcal T_{\parallel\parallel} &=-e^2\left[ -4\beta^2E^2(1-c^2) \left(\frac1{d_t}+\frac1{d_u}\right)+2\right]\\ &=-2e^2\left[1-\frac{2\beta^2(1-c^2)}{1-\beta^2c^2}\right],\\ \mathcal T_{\perp\perp}&=-2e^2,\qquad \mathcal T_{\parallel\perp}=\mathcal T_{\perp\parallel}=0 . \end{aligned} \tag{61.28}

第一行的负乘积来自两入射标量相反的空间动量,因而交换图与接触图发生干涉。 为把结果换回不变量,令

ρ=1−β21−β2c2=m2sdtdu,β2(1−c2)1−β2c2=1−ρ,T∥∥=2e2(1−2ρ).(61.29)\begin{gathered} \rho=\frac{1-\beta^2}{1-\beta^2c^2} =\frac{m^2s}{d_td_u},\\ \frac{\beta^2(1-c^2)}{1-\beta^2c^2}=1-\rho,\qquad \mathcal T_{\parallel\parallel}=2e^2(1-2\rho). \end{gathered} \tag{61.29}

将两个非零偏振振幅的模平方相加,得到

A(s,t,u)=4e4[(1−2ρ)2+1]=8e4[1−2m2s(m2−t)(m2−u)+2m4s2(m2−t)2(m2−u)2].(61.30)\begin{aligned} \mathcal A(s,t,u) &=4e^4\left[(1-2\rho)^2+1\right]\\ &=8e^4\left[ 1-\frac{2m^2s}{(m^2-t)(m^2-u)} +\frac{2m^4s^2}{(m^2-t)^2(m^2-u)^2}\right]. \end{aligned} \tag{61.30}

求和只含刚才得到的两个非零幅,每个偏振组合恰好计一次。 相同末态光子的1/2!1/2!将在完整带标签相空间积分中加入,它不改变这里的偏振和。 式中的t,ut,u对称性对应两个光子的交换;所有项无量纲,第一行也使正性清楚可见。

还可以定量算出对简化KK误作两次度规收缩的结果。 用w=p⋅q=m2−s/2w=p\cdot q=m^2-s/2以及p2=q2=−m2p^2=q^2=-m^2,所得为

KμνKμν=e4[16m4(1dt2+1du2)+32w2dtdu+16w(1dt+1du)+16]=16e4[1−m2(1dt+1du)+m4(1dt+1du)2]=16e4(1−ρ+ρ2)=A+8e4.(61.31)\begin{aligned} K_{\mu\nu}K^{\mu\nu} &=e^4\left[ 16m^4\left(\frac1{d_t^2}+\frac1{d_u^2}\right) +\frac{32w^2}{d_td_u} +16w\left(\frac1{d_t}+\frac1{d_u}\right)+16\right]\\ &=16e^4\left[ 1-m^2\left(\frac1{d_t}+\frac1{d_u}\right) +m^4\left(\frac1{d_t}+\frac1{d_u}\right)^2\right]\\ &=16e^4(1-\rho+\rho^2)=\mathcal A+8e^4 . \end{aligned} \tag{61.31}

第一行的四项依次来自两个交换项各自的平方、两者互乘、与接触项的交叉项, 以及4gμνgμν=164g_{\mu\nu}g^{\mu\nu}=16。把w=m2−s/2w=m^2-s/2代入并用dt+du=sd_t+d_u=s, 含s2/(dtdu)s^2/(d_td_u)的两项相消,含m2s/(dtdu)m^2s/(d_td_u)的项合成 −16m2s/(dtdu)-16m^2s/(d_td_u),四次质量项合成 16m4(1/dt+1/du)216m^4(1/d_t+1/d_u)^2,即第二行。因此误差恒为8e48e^4。

最后看两个物理极限。阈值β=0\beta=0时,标量的空间动量为零, 两幅交换图在所选偏振下均消失,只剩接触图: T∥∥=T⊥⊥=−2e2\mathcal T_{\parallel\parallel}=\mathcal T_{\perp\perp}=-2e^2, 故A=8e4\mathcal A=8e^4,并与出光子方向无关。固定非共线角度而取 m2/s→0m^2/s\to0时,ρ→0\rho\to0,两个非零幅变为相反号而等模, 偏振和又趋于8e48e^4。在中间能量与角度处,交换图和接触图改变了平行偏振的幅; 由于0≤ρ≤10\le\rho\le1,其总平方在4e44e^4与8e48e^4之间。 这与旋量电动力学的高能角分布不同,反映了物质自旋以及相应顶角结构的差别。

同一三图振幅还可以交叉为标量康普顿散射。此时初态多了一个有两种偏振的光子, 未极化平均应取C(s,t,u)=A(t,s,u)/2\mathcal C(s,t,u)=\mathcal A(t,s,u)/2。 后面的康普顿计算将逐腿完成这个替换,并在初标量静止系求出角分布。

完整张量的协变缩并

考虑质量同为mm的标量电子pp与正电子qq湮灭为光子k,lk,l,各动量正能且p+q=k+lp+q=k+l。令r=m2r=m^2、a=r−ta=r-t、b=r−ub=r-u,其中s=−(p+q)2s=-(p+q)^2、t=−(p−k)2t=-(p-k)^2、u=−(p−l)2u=-(p-l)^2,故a+b=sa+b=s。 为缩短张量乘法,将完整幅的四个动量分子记为

A=2p−k,B=2q−l,C=2q−k,D=2p−l,Mμν=−e2(AμBνa+CμDνb+2gμν).(61.32)\begin{aligned} A&=2p-k,\qquad B=2q-l,\qquad C=2q-k,\qquad D=2p-l,\\ M_{\mu\nu} &=-e^2\left(\frac{A_\mu B_\nu}{a} +\frac{C_\mu D_\nu}{b}+2g_{\mu\nu}\right). \end{aligned} \tag{61.32}

这里A,B,C,DA,B,C,D只是四个矢量的临时名称。上文 (61.23)已证明kμMμν=lνMμν=0k^\mu M_{\mu\nu}=l^\nu M_{\mu\nu}=0, 因此现在确实可以用两个度规替代物理偏振投影。 所需的外动量内积都由在壳条件和曼德尔斯塔姆变量得到:

p2=q2=−r,k2=l2=0,p⋅q=r−s2,k⋅l=−s2,p⋅k=q⋅l=−a2,p⋅l=q⋅k=−b2.(61.33)\begin{aligned} p^2=q^2&=-r,\qquad k^2=l^2=0,\qquad p\cdot q=r-\frac{s}{2},\qquad k\cdot l=-\frac{s}{2},\\ p\cdot k=q\cdot l&=-\frac a2,\qquad p\cdot l=q\cdot k=-\frac b2 . \end{aligned} \tag{61.33}

例如A2=4p2−4p⋅k=2a−4rA^2=4p^2-4p\cdot k=2a-4r。 两种交换图互乘时,需要 A⋅C=4p⋅q−2p⋅k−2q⋅k=4r−sA\cdot C=4p\cdot q-2p\cdot k-2q\cdot k=4r-s; 交换图与接触图相乘时,则有 A⋅B=4p⋅q−2p⋅l−2q⋅k+k⋅lA\cdot B=4p\cdot q-2p\cdot l-2q\cdot k+k\cdot l。 把式(61.33)代入,全部缩并归结为

A2=B2=2a−4r,C2=D2=2b−4r,A⋅C=B⋅D=4r−s,A⋅B=4r−5a+b2,C⋅D=4r−a+5b2.(61.34)\begin{aligned} A^2=B^2&=2a-4r,\qquad C^2=D^2=2b-4r,\\ A\cdot C=B\cdot D&=4r-s,\\ A\cdot B&=4r-\frac{5a+b}{2},\qquad C\cdot D=4r-\frac{a+5b}{2}. \end{aligned} \tag{61.34}

平方包含两个交换项各自的平方、两者的交叉项、两项与接触项的交叉项, 以及接触项的平方。按这个顺序写全,

MμνMμνe4=A2B2a2+C2D2b2+2(A⋅C)(B⋅D)ab+4A⋅Ba+4C⋅Db+4gμνgμν=4(1−2ra)2+4(1−2rb)2+2(4r−s)2ab+16r−10a−2ba+16r−2a−10bb+16.(61.35)\begin{aligned} \frac{M_{\mu\nu}M^{\mu\nu}}{e^4} &=\frac{A^2B^2}{a^2} +\frac{C^2D^2}{b^2} +\frac{2(A\cdot C)(B\cdot D)}{ab}\\ &\quad+\frac{4A\cdot B}{a} +\frac{4C\cdot D}{b} +4g_{\mu\nu}g^{\mu\nu}\\ &=4\left(1-\frac{2r}{a}\right)^2 +4\left(1-\frac{2r}{b}\right)^2 +\frac{2(4r-s)^2}{ab}\\ &\quad+\frac{16r-10a-2b}{a} +\frac{16r-2a-10b}{b}+16 . \end{aligned} \tag{61.35}

交叉项的因子2来自两种乘法次序,与接触项中的2再相乘便产生因子4。 接下来可以按rr的次数合并。r2r^2项为 16r2(a−2+b−2)+32r2/(ab)=16r2(a−1+b−1)216r^2(a^{-2}+b^{-2})+32r^2/(ab)=16r^2(a^{-1}+b^{-1})^2。 线性rr项中,两个平方贡献−16r(a−1+b−1)-16r(a^{-1}+b^{-1}), 接触交叉项给其相反数,余下−16rs/(ab)-16rs/(ab)。 常数项为 8−20+16+2s2/(ab)−2(a/b+b/a)8-20+16+2s^2/(ab)-2(a/b+b/a); 由于s2=(a+b)2s^2=(a+b)^2,它恰好等于8。因此

A(s,t,u)=8e4[1−2rsab+2r2s2a2b2]=8e4[1−2m2s(m2−t)(m2−u)+2m4s2(m2−t)2(m2−u)2].(61.36)\begin{aligned} \mathcal A(s,t,u) &=8e^4\left[ 1-\frac{2rs}{ab}+\frac{2r^2s^2}{a^2b^2}\right]\\ &=8e^4\left[ 1-\frac{2m^2s}{(m^2-t)(m^2-u)} +\frac{2m^4s^2}{(m^2-t)^2(m^2-u)^2}\right]. \end{aligned} \tag{61.36}

这与上文用两个显式偏振得到的式(61.30)相同。 整个缩并都保留完整的四个分子;若提前使用横向性删去其中的k,lk,l项, 就会产生上文已算出的额外8e48e^4。因此度规求和必须作用于满足完整沃德恒等式的张量。

标量康普顿散射

现在的过程是标量电子与光子散射, 用p,kp,k标入射动量,p′,lp',l标出射动量。将湮灭过程中的入标量正电子 改到末态,动量qq延拓为−p′-p';再将第一条出光子改到初态,原来的kk 延拓为−k-k。为区别两套不变量,暂在湮灭变量上加下标aa:

e~−(p)+γ(k)⟶e~−(p′)+γ(l),p+k=p′+l,s=−(p+k)2,t=−(p−p′)2=−(k−l)2,u=−(p−l)2,sa=−(p−p′)2=t,ta=−(p+k)2=s,ua=u.(61.37)\begin{aligned} \widetilde e^-(p)+\gamma(k)&\longrightarrow \widetilde e^-(p')+\gamma(l),\qquad p+k=p'+l,\\ s&=-(p+k)^2,\qquad t=-(p-p')^2=-(k-l)^2,\qquad u=-(p-l)^2,\\ s_a&=-(p-p')^2=t,\qquad t_a=-(p+k)^2=s,\qquad u_a=u . \end{aligned} \tag{61.37}

标量外线因子在交叉时仍为1,所有外标量算符都服从玻色统计。 入光子的外因子改为εkμ∗\varepsilon_k^{\mu*}。将上述动量逐个代入完整 式(61.20),便得到

TC=εkμ∗εlνMμνC,MμνC=e2[(2p+k)μ(2p′+l)νm2−s+(2p′−k)μ(2p−l)νm2−u−2gμν].(61.38)\begin{aligned} \mathcal T_{\rm C} &=\varepsilon_k^{\mu*}\varepsilon_l^\nu M^{\rm C}_{\mu\nu},\\ M^{\rm C}_{\mu\nu} &=e^2\left[ \frac{(2p+k)_\mu(2p'+l)_\nu}{m^2-s} +\frac{(2p'-k)_\mu(2p-l)_\nu}{m^2-u} -2g_{\mu\nu}\right]. \end{aligned} \tag{61.38}

两项各自的负号来自q=−p′q=-p',再与原幅外面的负号相消; 接触项仍为−2e2gμν-2e^2g_{\mu\nu}。这也是直接使用标量规则画出两个交换图与 接触图所得的结果。与费米子例不同,这个替换没有旋量自旋密度引起的交叉负号。

对两光子偏振不加权求和,交叉后的张量缩并就是A(t,s,u)\mathcal A(t,s,u)。 未极化康普顿初态却包含两个等概率光子偏振,所以还须除以2。 定义C\mathcal C为包含这个初态平均的结果,则

C(s,t,u):=12∑λk,λl∣TC∣2=12A(t,s,u)=4e4[1−2m2t(m2−s)(m2−u)+2m4t2(m2−s)2(m2−u)2].(61.39)\begin{aligned} \mathcal C(s,t,u) &:=\frac12\sum_{\lambda_k,\lambda_l} |\mathcal T_{\rm C}|^2 =\frac12\mathcal A(t,s,u)\\ &=4e^4\left[ 1-\frac{2m^2t}{(m^2-s)(m^2-u)} +\frac{2m^4t^2}{(m^2-s)^2(m^2-u)^2}\right]. \end{aligned} \tag{61.39}

未平均的总偏振和只需交换s,ts,t,初态平均则还须包括上述1/21/2。交叉对称性作用于振幅张量,初态平均的权重由所考察的过程另行确定。

可以在初标量静止系直接检查这个结果。设入、出光子能量为ω,ω′\omega,\omega', 散射角为θ\theta,取

p=(m,0,0,0),k=ω(1,0,0,1),l=ω′(1,sin⁡θ,0,c),p′=p+k−l,c=cos⁡θ,p′2=p2⟹m(ω−ω′)=ωω′(1−c),ω′=ω1+(ω/m)(1−c).(61.40)\begin{aligned} p&=(m,0,0,0),\qquad k=\omega(1,0,0,1),\\ l&=\omega'(1,\sin\theta,0,c),\qquad p'=p+k-l,\qquad c=\cos\theta,\\ p'^2=p^2 &\quad\Longrightarrow\quad m(\omega-\omega')=\omega\omega'(1-c),\\ \omega'&=\frac{\omega}{1+(\omega/m)(1-c)} . \end{aligned} \tag{61.40}

第三行来自2p⋅(k−l)−2k⋅l=02p\cdot(k-l)-2k\cdot l=0。于是

m2−s=−2mω,m2−u=2mω′,t=−2ωω′(1−c),m2t(m2−s)(m2−u)=1−c2,C=4e4[1−(1−c)+12(1−c)2]=2e4(1+c2).(61.41)\begin{aligned} m^2-s&=-2m\omega,\qquad m^2-u=2m\omega',\qquad t=-2\omega\omega'(1-c),\\ \frac{m^2t}{(m^2-s)(m^2-u)} &=\frac{1-c}{2},\\ \mathcal C&=4e^4\left[1-(1-c)+\frac12(1-c)^2\right] =2e^4(1+c^2). \end{aligned} \tag{61.41}

这个简单形式还可以直接从三图振幅看出。选两光子的时间偏振分量为零, 则p⋅εk∗=p⋅εl=0p\cdot\varepsilon_k^*=p\cdot\varepsilon_l=0。 式(61.38)的第一幅交换图含 (2p+k)⋅εk∗=0(2p+k)\cdot\varepsilon_k^*=0,第二幅含 (2p−l)⋅εl=0(2p-l)\cdot\varepsilon_l=0,因而只留下接触项。 将入射的平行偏振取沿第一轴,出射的平行偏振取在散射平面内, 两根垂直偏振都取沿第二轴,得到

εk,∥=(0,1,0,0),εl,∥=(0,c,0,−sin⁡θ),εk,⊥=εl,⊥=(0,0,1,0),(TC,ab)=−2e2(c001),12∑a,b∣TC,ab∣2=2e4(1+c2).(61.42)\begin{gathered} \varepsilon_{k,\parallel}=(0,1,0,0),\qquad \varepsilon_{l,\parallel}=(0,c,0,-\sin\theta),\\ \varepsilon_{k,\perp}=\varepsilon_{l,\perp}=(0,0,1,0),\\ \bigl(\mathcal T_{{\rm C},ab}\bigr) =-2e^2\begin{pmatrix}c&0\\0&1\end{pmatrix},\qquad \frac12\sum_{a,b}|\mathcal T_{{\rm C},ab}|^2 =2e^4(1+c^2). \end{gathered} \tag{61.42}

因此式(61.41)在整个有质量树级物理区域成立, 不要求ω≪m\omega\ll m。反冲仍通过式(61.40) 改变出射能量和相空间。

第59节的实验室相空间积分只依赖质量与运动学, 仍可直接使用。以入射通量4mω4m\omega除两体相空间,得到

dσdΩ=164π2m2(ω′ω)2C=α22m2(ω′ω)2(1+cos⁡2θ),α=e24π,lim⁡ω/m→0σ=8πα23m2.(61.43)\begin{aligned} \frac{d\sigma}{d\Omega} &=\frac{1}{64\pi^2m^2}\left(\frac{\omega'}{\omega}\right)^2\mathcal C =\frac{\alpha^2}{2m^2}\left(\frac{\omega'}{\omega}\right)^2(1+\cos^2\theta),\\ \alpha&=\frac{e^2}{4\pi},\qquad \lim_{\omega/m\to0}\sigma=\frac{8\pi\alpha^2}{3m^2}. \end{aligned} \tag{61.43}

低能时ω′/ω→1\omega'/\omega\to1,对1+cos⁡2θ1+\cos^2\theta作全角积分给16π/316\pi/3, 恢复汤姆孙截面。有限能量时,标量和旋量的模方不同,反冲的相空间因子则相同。


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文章标题:Srednicki §61 标量电动力学

文章作者:Whitney

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