Srednicki §65 标量电动力学中的圈修正

26 年 9 月 14 日 星期一
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第61节已经建立标量电动力学的树级规则。现在让虚粒子在图中形成闭圈,求它们对传播子和顶角的修正。与第62节不同,这一次主要关心紫外发散的系数:在MS\overline{\mathrm{MS}}方案中,它们确定重整化因子,并为判断耦合随能标怎样变化提供依据。有限的散射振幅需要保留完整外动量;提取局部发散时,却可以选择使计算显著简化的动量和规范。

拉氏量、顶角和减除约定

考虑保持洛伦兹与局域U(1)U(1)对称性的复标量理论,取质量项、四次势和协变动能,并加上麦克斯韦动能。这些项给出本节的可重整化模型。先将每种结构的系数分开记下,便于从不同的格林函数中确定它们。沿第61节的电荷及场约定,写成

L=L0+L1,L0=μφμφm2φφ14FμνFμν,L1=iZ1e[φμφ(μφ)φ]AμZ4e2φφAμAμZλλ4(φφ)2+Lct,Lct=(Z21)μφμφ(Zm1)m2φφZ314FμνFμν.(65.1)\begin{aligned} \mathcal L&=\mathcal L_0+\mathcal L_1,\\ \mathcal L_0 &=-\partial^\mu\varphi^\dagger\partial_\mu\varphi -m^2\varphi^\dagger\varphi-\frac14F^{\mu\nu}F_{\mu\nu},\\ \mathcal L_1 &=-iZ_1e\,[\varphi^\dagger\partial^\mu\varphi -(\partial^\mu\varphi^\dagger)\varphi]A_\mu -Z_4e^2\varphi^\dagger\varphi A^\mu A_\mu\\ &\quad-\frac{Z_\lambda\lambda}{4}(\varphi^\dagger\varphi)^2 +\mathcal L_{\rm ct},\\ \mathcal L_{\rm ct} &=-(Z_2-1)\partial^\mu\varphi^\dagger\partial_\mu\varphi -(Z_m-1)m^2\varphi^\dagger\varphi -\frac{Z_3-1}{4}F^{\mu\nu}F_{\mu\nu}. \end{aligned} \tag{65.1}

这里m2>0m^2>0,在φ=A=0\varphi=A=0的对称真空附近作微扰,e<0e<0λ\lambda为实数。正的λ\lambda给出有下界的树级四次势。线性交叉项的负号由协变导数Dμ=μieAμD_\mu=\partial_\mu-ieA_\mu确定。展开协变动能(Dμφ)Dμφ-(D^\mu\varphi)^\dagger D_\mu\varphi,有

(Dμφ)Dμφ=μφμφ+ieAμ[(μφ)φφμφ]e2A2φφ.(65.2)\begin{aligned} -(D^\mu\varphi)^\dagger D_\mu\varphi &=-\partial^\mu\varphi^\dagger\partial_\mu\varphi\\ &\quad+ieA_\mu\big[(\partial^\mu\varphi^\dagger)\varphi -\varphi^\dagger\partial^\mu\varphi\big] -e^2A^2\varphi^\dagger\varphi . \end{aligned} \tag{65.2}

因此,导数作用于入射的eipxe^{ipx}和出射的eipxe^{-ip'x}时,线性交叉项给出三点顶角ie(p+p)μie(p+p')^\mu。若交换φ\varphiφ\varphi^\dagger,线性交叉项和粒子荷支同时反号;有限规范变换将给出两种写法对应的相位及同一个规范约束。

δZi=Zi1\delta Z_i=Z_i-1。本节用到的树顶角与二点反项为

iV3,treeμ(p,p)=ieZ1(p+p)μ,iV4,treeμν=2ie2Z4gμν,iV4φ,tree=iZλλ,iΠφ,ct(k2)=iδZ2k2iδZmm2,iΠctμν(k)=iδZ3(k2gμνkμkν).(65.3)\begin{aligned} iV_{3,\rm tree}^{\mu}(p',p)&=ieZ_1(p'+p)^\mu,\\ iV_{4,\rm tree}^{\mu\nu}&=-2ie^2Z_4g^{\mu\nu},\qquad iV_{4\varphi,\rm tree}=-iZ_\lambda\lambda,\\ i\Pi_{\varphi,\rm ct}(k^2) &=-i\delta Z_2k^2-i\delta Z_m m^2,\\ i\Pi_{\rm ct}^{\mu\nu}(k) &=-i\delta Z_3(k^2g^{\mu\nu}-k^\mu k^\nu). \end{aligned} \tag{65.3}

前两个电磁顶角的阶乘和动量号已在第61节逐一求出。四标量顶角中的2!2!2!\,2!抵消拉氏量的1/41/4。内线仍为相应传播核除以ii,闭合的标量圈没有费米统计负号。光子反项保留μ,ν\mu,\nu两个自由指标,其纵向张量为kμkνk^\mu k^\nu

维数调节采用

d=4ε,ed=eμ~ε/2,λd=λμ~ε,μ2=4πeγEμ~2,[φ]=[A]=d22,[ed]=ε2,[λd]=ε.(65.4)\begin{gathered} d=4-\varepsilon,\qquad e_d=e\widetilde\mu^{\varepsilon/2},\qquad \lambda_d=\lambda\widetilde\mu^\varepsilon,\qquad \mu^2=4\pi e^{-\gamma_E}\widetilde\mu^2,\\ [\varphi]=[A]=\frac{d-2}{2},\qquad [e_d]=\frac{\varepsilon}{2},\qquad [\lambda_d]=\varepsilon . \end{gathered} \tag{65.4}

以下\int_\ell表示dd/(2π)dd^d\ell/(2\pi)^d。三点函数提出一个公共μ~ε/2\widetilde\mu^{\varepsilon/2},两个四点函数提出μ~ε\widetilde\mu^\varepsilon,所余圈积分统一带μ~ε\widetilde\mu^\varepsilon。这种写法使显示的e,λe,\lambda无量纲,又不会丢失外顶角的工程量纲。各ZiZ_i在圈内只需取1;在那里再插入δZi\delta Z_i,便增加一阶圈修正。我们将保留一圈产生的e2,λ,e4,e2λ,λ2e^2,\lambda,e^4,e^2\lambda,\lambda^2各项,并由它们所在的格林函数判断阶次。

标量圈与接触项怎样给出横向光子自能

光子二点函数有一个有向标量泡、一个接触顶角上的标量闭线,以及光子动能反项。图65a依次画出这三个贡献。

光子自能的标量泡、标量接触闭线和反项

图65a:虚线箭头记录复标量的电荷方向,上、下内线的带符号动量为+k\ell+k\ell;波线外动量均为kk。中图的闭线是复标量,右图叉号为δZ3\delta Z_3

两条标量内线给(1/i)2(1/i)^2,与两个ieie相乘后为+e2+e^2。接触图只有一条标量内线,故(2ie2)(1/i)=2e2(-2ie^2)(1/i)=-2e^2。于是

iΠμν(k)=e2μ~ε(2+k)μ(2+k)ν[(+k)2+m2](2+m2)2e2gμνμ~ε12+m2iδZ3(k2gμνkμkν).(65.5)\begin{aligned} i\Pi^{\mu\nu}(k) &=e^2\widetilde\mu^\varepsilon\int_\ell \frac{(2\ell+k)^\mu(2\ell+k)^\nu} {[(\ell+k)^2+m^2](\ell^2+m^2)}\\ &\quad-2e^2g^{\mu\nu}\widetilde\mu^\varepsilon \int_\ell\frac1{\ell^2+m^2} -i\delta Z_3(k^2g^{\mu\nu}-k^\mu k^\nu). \end{aligned} \tag{65.5}

分母都继承i0-i0;在下面的欧氏参数计算中暂不重复写出。两个圈图单独都含表面的二次发散,因此先把它们合并,更容易看见质量型项如何消去。给第二项乘上缺少的分母,得到

iΠμν(k)=e2μ~εNμν[(+k)2+m2](2+m2)iδZ3(k2gμνkμkν),Nμν=(2+k)μ(2+k)ν2[(+k)2+m2]gμν.(65.6)\begin{aligned} i\Pi^{\mu\nu}(k) &=e^2\widetilde\mu^\varepsilon\int_\ell \frac{N^{\mu\nu}} {[(\ell+k)^2+m^2](\ell^2+m^2)} -i\delta Z_3(k^2g^{\mu\nu}-k^\mu k^\nu),\\ N^{\mu\nu} &=(2\ell+k)^\mu(2\ell+k)^\nu -2[(\ell+k)^2+m^2]g^{\mu\nu}. \end{aligned} \tag{65.6}

用一个费曼参数合并分母,并作允许的圈动量平移:

1AB=01dx[xA+(1x)B]2,A=(+k)2+m2,B=2+m2,q=+xk,D=m2+x(1x)k2,xA+(1x)B=q2+D,NμνAB=01dxqNμν(q2+D)2.(65.7)\begin{gathered} \frac1{AB}=\int_0^1\frac{dx}{[xA+(1-x)B]^2},\\ A=(\ell+k)^2+m^2,\quad B=\ell^2+m^2,\quad q=\ell+xk,\quad D=m^2+x(1-x)k^2,\\ xA+(1-x)B=q^2+D,\qquad \int_\ell\frac{N^{\mu\nu}}{AB} =\int_0^1dx\int_q\frac{N^{\mu\nu}}{(q^2+D)^2}. \end{gathered} \tag{65.7}

平移的雅可比行列式为1。先在威克转动后积分收敛的维数域中使用这些操作,再作解析延拓,正是第14、62节所用的维数调节方式。

=qxk\ell=q-xk代入分子。关于qq的一次项在对称积分中为零,而qμqνq^\mu q^\nu在只依赖q2q^2的分母下平均为gμνq2/dg^{\mu\nu}q^2/d,所以

Nμν=[2q+(12x)k]μ[2q+(12x)k]ν2[(q+(1x)k)2+m2]gμν  4qμqν+(12x)2kμkν2[q2+(1x)2k2+m2]gμν  2(2d1)q2gμν+(12x)2kμkν2[(1x)2k2+m2]gμν.(65.8)\begin{aligned} N^{\mu\nu} &=[2q+(1-2x)k]^\mu[2q+(1-2x)k]^\nu\\ &\quad-2[(q+(1-x)k)^2+m^2]g^{\mu\nu}\\ &\ \longrightarrow\ 4q^\mu q^\nu+(1-2x)^2k^\mu k^\nu -2[q^2+(1-x)^2k^2+m^2]g^{\mu\nu}\\ &\ \longrightarrow\ 2\left(\frac2d-1\right)q^2g^{\mu\nu} +(1-2x)^2k^\mu k^\nu -2[(1-x)^2k^2+m^2]g^{\mu\nu}. \end{aligned} \tag{65.8}

箭头表示放入当前积分后的等价替换。特别是ε\varepsilon尚未取零,dd不能在二次发散项前随意换成4。

接着复用第62节的径向分部积分。令Jn(D)=μ~εq(q2+D)nJ_n(D)=\widetilde\mu^\varepsilon\int_q(q^2+D)^{-n}。总导数积分及q2=(q2+D)Dq^2=(q^2+D)-D

0=dJ1(D)2μ~εqq2(q2+D)2,μ~εqq2(q2+D)2=J1(D)DJ2(D),(2d1)μ~εqq2(q2+D)2=DJ2(D).(65.9)\begin{aligned} 0&=dJ_1(D) -2\widetilde\mu^\varepsilon\int_q\frac{q^2}{(q^2+D)^2},\\ \widetilde\mu^\varepsilon\int_q\frac{q^2}{(q^2+D)^2} &=J_1(D)-DJ_2(D),\\ \left(\frac2d-1\right) \widetilde\mu^\varepsilon\int_q\frac{q^2}{(q^2+D)^2} &=DJ_2(D). \end{aligned} \tag{65.9}

因此,在式(65.8)的积分里,可将(2/d1)q2(2/d-1)q^2换成DD。代入DD以后,显式的m2m^2相消:

Nμν  2Dgμν+(12x)2kμkν2[(1x)2k2+m2]gμν=(12x)2kμkν2(12x)(1x)k2gμν.(65.10)\begin{aligned} N^{\mu\nu} &\ \longrightarrow\ 2Dg^{\mu\nu}+(1-2x)^2k^\mu k^\nu -2[(1-x)^2k^2+m^2]g^{\mu\nu}\\ &=(1-2x)^2k^\mu k^\nu -2(1-2x)(1-x)k^2g^{\mu\nu}. \end{aligned} \tag{65.10}

还剩一个参数上的不对称写法。取x=y+1/2x=y+1/2,有

12y12,D=m2+(14y2)k2,Nμν=4y2kμkν2(2y2y)k2gμν  4y2(k2gμνkμkν).(65.11)\begin{aligned} -\frac12&\le y\le\frac12,\qquad D=m^2+\left(\frac14-y^2\right)k^2,\\ N^{\mu\nu} &=4y^2k^\mu k^\nu-2(2y^2-y)k^2g^{\mu\nu}\\ &\ \longrightarrow\ -4y^2(k^2g^{\mu\nu}-k^\mu k^\nu). \end{aligned} \tag{65.11}

DDyy的偶函数,故最后一行删去的是2yk2gμν2yk^2g^{\mu\nu}这一奇项。

经过这两次积分化简,光子自能成为

Πμν(k)=Π(k2)(k2gμνkμkν),Π(k2)=e2i01dx(12x)2J2(m2+x(1x)k2)δZ3.(65.12)\begin{aligned} \Pi^{\mu\nu}(k) &=\Pi(k^2)(k^2g^{\mu\nu}-k^\mu k^\nu),\\ \Pi(k^2) &=-\frac{e^2}{i}\int_0^1dx\,(1-2x)^2 J_2\big(m^2+x(1-x)k^2\big)-\delta Z_3 . \end{aligned} \tag{65.12}

收缩kμk_\mu立即给零。标量接触顶角因而不仅改变图的数目,它还使二点函数具有规范对称性所要求的结构;没有留下可解释为光子质量的常数张量。

圈积分已在第62节求出。这里取n=2n=2,并保留提取极部所需的两项:

J2(D)=iμ~ε(4π)d/2Γ(2d/2)Dd/22=i16π2[2εlnDμ2+O(ε)].(65.13)\begin{aligned} J_2(D) &=\frac{i\widetilde\mu^\varepsilon} {(4\pi)^{d/2}}\Gamma(2-d/2)D^{d/2-2}\\ &=\frac{i}{16\pi^2} \left[\frac2\varepsilon-\ln\frac D{\mu^2} +O(\varepsilon)\right]. \end{aligned} \tag{65.13}

这里Γ(ε/2)=2/εγE+O(ε)\Gamma(\varepsilon/2)=2/\varepsilon-\gamma_E+O(\varepsilon),其常数项已经合入μ\mu的定义。极点系数与DD无关,剩余参数积分于是只是

01(12x)2dx=[x2x2+43x3]01=13=41/21/2y2dy.(65.14)\int_0^1(1-2x)^2dx =\left[x-2x^2+\frac43x^3\right]_0^1 =\frac13 =4\int_{-1/2}^{1/2}y^2dy . \tag{65.14}

所以

Π(k2)pole=e224π2εδZ3,Z3=1e224π2ε+更高圈项.(65.15)\Pi(k^2)\big|_{\rm pole} =-\frac{e^2}{24\pi^2\varepsilon}-\delta Z_3, \qquad Z_3=1-\frac{e^2}{24\pi^2\varepsilon} +\text{更高圈项}. \tag{65.15}

对一个复标量,极点系数是第62节一个狄拉克场结果的四分之一。两者的电荷相同,差别来自各自的传播子分子和自由度;此处的1/31/3已由实际参数积分得到。

横向光子中的标量自能

接下来求标量二点函数。内部出现光子以后,规范的选择就能帮助我们化简分子。选取朗道规范的横向光子核:

Δ~μν()=Pμν()2i0,Pμν()=gμνμν2,μPμν=Pμνν=0,PμρPρν=Pμν,gμνPμν=d1.(65.16)\begin{gathered} \widetilde\Delta_{\mu\nu}(\ell) =\frac{P_{\mu\nu}(\ell)}{\ell^2-i0},\qquad P_{\mu\nu}(\ell)=g_{\mu\nu}-\frac{\ell_\mu\ell_\nu}{\ell^2},\\ \ell^\mu P_{\mu\nu}=P_{\mu\nu}\ell^\nu=0,\qquad P_\mu{}^\rho P_{\rho\nu}=P_{\mu\nu},\qquad g^{\mu\nu}P_{\mu\nu}=d-1 . \end{gathered} \tag{65.16}

这是第57节的横向核,也就是协变规范族中的ξ=0\xi=0。收缩一只\ell时,投影中的两项给ν2ν/2=0\ell_\nu-\ell^2\ell_\nu/\ell^2=0;取迹则从dd减去1。光锥上的表达式仍按该节的共同边界处方理解,下面在维数积分的欧氏表示中使用投影恒等式。

标量自能的混合泡、两种蝌蚪图和反项

图65b:依次为标量—光子泡、光子蝌蚪、标量蝌蚪和二点反项。虚线沿外电荷方向,泡内标量带+k\ell+k,光子带\ell。光子蝌蚪的两条相同半线可以互换,权重为1/21/2

先确定两个蝌蚪的计数。一次插入e2φφAμAμ-e^2\varphi^\dagger\varphi A_\mu A^\mu,两个标量各接一条外线,余下两个AA只组成一个收缩。因此从完整接触顶角读取时,应有1/21/2。四标量插入的两个外端却各有两个可选的同类场,得到

光子蝌蚪顶角权重:12(2ie2)=ie2,标量蝌蚪顶角权重:(iλ4)(2)(2)=iλ.(65.17)\begin{aligned} \text{光子蝌蚪顶角权重}:& \qquad \frac12(-2ie^2)=-ie^2,\\ \text{标量蝌蚪顶角权重}:& \qquad \left(-\frac{i\lambda}{4}\right)(2)(2)=-i\lambda . \end{aligned} \tag{65.17}

第一行的1/21/2来自两个相同光子端点的交换。光子蝌蚪在去掉调节质量后趋于零;在取这个极限以前,应保留该收缩权重。

泡图分子中的(+2k)μ(+2k)ν(\ell+2k)^\mu(\ell+2k)^\nuPμνP_{\mu\nu}缩并,只留下4Pμνkμkν4P_{\mu\nu}k^\mu k^\nu。两个顶角和两条内线的相位仍给+e2+e^2。结合式(65.17),有

iΠφ(k2)=4e2μ~εPμν()kμkν2[(+k)2+m2](d1)e2J1(mγ2)λJ1(m2)iδZ2k2iδZmm2.(65.18)\begin{aligned} i\Pi_\varphi(k^2) &=4e^2\widetilde\mu^\varepsilon \int_\ell\frac{P_{\mu\nu}(\ell)k^\mu k^\nu} {\ell^2[(\ell+k)^2+m^2]}\\ &\quad-(d-1)e^2J_1(m_\gamma^2)-\lambda J_1(m^2)\\ &\quad-i\delta Z_2 k^2-i\delta Z_m m^2 . \end{aligned} \tag{65.18}

光子蝌蚪中临时加入正的mγ2m_\gamma^2。所有圈积分均使用dd维测度,并带相应的μ~ε\widetilde\mu^\varepsilon

同一个维数积分公式取n=1n=1便给

J1(M2)=iμ~ε(4π)d/2Γ(1d/2)(M2)d/21=iM216π2[2ε+lnM2μ21+O(ε)].(65.19)\begin{aligned} J_1(M^2) &=\frac{i\widetilde\mu^\varepsilon}{(4\pi)^{d/2}} \Gamma(1-d/2)(M^2)^{d/2-1}\\ &=\frac{iM^2}{16\pi^2} \left[-\frac2\varepsilon+\ln\frac{M^2}{\mu^2}-1 +O(\varepsilon)\right]. \end{aligned} \tag{65.19}

负号来自Γ(1+ε/2)=Γ(ε/2)/(1+ε/2)\Gamma(-1+\varepsilon/2)=\Gamma(\varepsilon/2)/(-1+\varepsilon/2),与分母平方积分的正极点不同。对光子蝌蚪应先用第一行的完整表达式:

J1(mγ2)=iμ~εΓ(1+ε/2)(4π)2ε/2(mγ2)1ε/2  0(mγ0, 0<Reε<2).(65.20)J_1(m_\gamma^2) =\frac{i\widetilde\mu^\varepsilon \Gamma(-1+\varepsilon/2)} {(4\pi)^{2-\varepsilon/2}} (m_\gamma^2)^{1-\varepsilon/2} \ \longrightarrow\ 0 \quad (m_\gamma\to0,\ 0<\operatorname{Re}\varepsilon<2). \tag{65.20}

在这个固定维数域中,质量的幂为正,再将零结果作维数延拓。标量蝌蚪则保留m>0m>0,给iλm2/(8π2ε)i\lambda m^2/(8\pi^2\varepsilon)这一质量型极点。

现在评价泡图。把PP中的2\ell^2乘到分母中,便得到三个因子,其中两个相同:

Pμν()kμkν2[(+k)2+m2]=2k2(k)2(2)2[(+k)2+m2],dF3=2dx1dx2dx3δ(x1+x2+x31),xi0,q=+x3k,D=x3m2+x3(1x3)k2,dF3h(x3)=201dx3(1x3)h(x3),dF3=1.(65.21)\begin{aligned} \frac{P_{\mu\nu}(\ell)k^\mu k^\nu} {\ell^2[(\ell+k)^2+m^2]} &=\frac{\ell^2k^2-(\ell\cdot k)^2} {(\ell^2)^2[(\ell+k)^2+m^2]},\\ dF_3&=2\,dx_1dx_2dx_3\, \delta(x_1+x_2+x_3-1),\qquad x_i\ge0,\\ q&=\ell+x_3k,\qquad D=x_3m^2+x_3(1-x_3)k^2,\\ \int dF_3\,h(x_3) &=2\int_0^1dx_3\,(1-x_3)h(x_3),\qquad \int dF_3=1 . \end{aligned} \tag{65.21}

因子2是三分母参数公式中的Γ(3)\Gamma(3);消去x2x_2后,x1x_1从0积到1x31-x_3,才产生最后一行的权重。虽然两个分母相同,它们仍占据两个参数位置,不能少计这个权重。

分子在平移后有一个有用的精确相消:

N=(qx3k)2k2(qkx3k2)2=q2k22x3(qk)k2+x32(k2)2(qk)2+2x3(qk)k2x32(k2)2=q2k2(qk)2  (11d)q2k2.(65.22)\begin{aligned} N&=(q-x_3k)^2k^2-(q\cdot k-x_3k^2)^2\\ &=q^2k^2-2x_3(q\cdot k)k^2+x_3^2(k^2)^2\\ &\quad-(q\cdot k)^2+2x_3(q\cdot k)k^2-x_3^2(k^2)^2\\ &=q^2k^2-(q\cdot k)^2 \ \longrightarrow\ \left(1-\frac1d\right)q^2k^2 . \end{aligned} \tag{65.22}

关于qq的一次项在求角平均以前就已精确相消。剩下的积分可用q2=(q2+D)Dq^2=(q^2+D)-D拆开:

μ~εqq2(q2+D)3=J2(D)DJ3(D),J3(D)=i32π2D+O(ε),J2(D)DJ3(D)=i16π2[2εlnDμ212+O(ε)].(65.23)\begin{aligned} \widetilde\mu^\varepsilon \int_q\frac{q^2}{(q^2+D)^3} &=J_2(D)-DJ_3(D),\\ J_3(D) &=\frac{i}{32\pi^2D}+O(\varepsilon),\\ J_2(D)-DJ_3(D) &=\frac{i}{16\pi^2} \left[\frac2\varepsilon-\ln\frac D{\mu^2} -\frac12+O(\varepsilon)\right]. \end{aligned} \tag{65.23}

第一项有极点,DJ3DJ_3没有,因此本式与J2J_2具有相同的极点系数。对空间样外动量,DDx3=0x_3=0的一次零点只给可积的lnx3\ln x_3;提取这里的紫外系数不引入新的红外极点。

将三参数归一与d4d\to4时的11/d=3/41-1/d=3/4相乘,泡图的极部为4e2(3/4)ik2/(8π2ε)4e^2(3/4)i k^2/(8\pi^2\varepsilon)。于是

iΠφ(k2)pole=i[(3e28π2εδZ2)k2+(λ8π2εδZm)m2].(65.24)i\Pi_\varphi(k^2)\big|_{\rm pole} =i\left[ \left(\frac{3e^2}{8\pi^2\varepsilon}-\delta Z_2\right)k^2 +\left(\frac{\lambda}{8\pi^2\varepsilon}-\delta Z_m\right)m^2 \right]. \tag{65.24}

两个独立的局部结构分别给

Z2=1+3e28π2ε+更高圈项,Zm=1+λ8π2ε+更高圈项.(65.25)Z_2=1+\frac{3e^2}{8\pi^2\varepsilon} +\text{更高圈项},\qquad Z_m=1+\frac{\lambda}{8\pi^2\varepsilon} +\text{更高圈项}. \tag{65.25}

Z2Z_2中的电磁项依赖这里的横向规范。ZmZ_m是拉氏量质量项的因子;把场重新归一以后,裸质量平方含的是Zm/Z2Z_m/Z_2,所以本式并不意味着电磁相互作用不影响质量参数的运行。

用特殊外动量求三点顶角的极部

三点顶角的表面发散度为1。在一个圈图中,每条内线给两个分母幂,每个三价导数顶角至多给一个圈动量,故δ=4L2I+V3\delta=4L-2I+V_3。若把各类四价顶角的总数记为V4V_4,则连通图满足L=IV3V4+1L=I-V_3-V_4+1,线端计数给3V3+4V4=2I+E3V_3+4V_4=2I+E。先消去LL,得到δ=4+2I3V34V4\delta=4+2I-3V_3-4V_4,再用后一关系就得δ=4E\delta=4-E。对于两个标量和一个光子的局部反项,洛伦兹协变性只允许一次外动量。电荷共轭使AμA_\mu反号而保持φφ\varphi^\dagger\varphi,所以排除Aμμ(φφ)A_\mu\partial^\mu(\varphi^\dagger\varphi),留下的正是式(65.1)中的电流耦合。因此只要求出一个能测到其系数的动量配置,就能确定紫外反项。

取入射标量动量为零,入射光子和出射标量动量均为kk。这是一组用于格林函数的离壳动量。内部光子的动量记\ell

零入射标量动量下的四幅三点顶角圈图

图65c:四幅图依次是左接触顶角的混合泡、三个导数顶角的三角图、右接触顶角的混合泡,以及含四标量顶角的标量圈。第二、第三幅图的左端给μPμν()=0\ell^\mu P_{\mu\nu}(\ell)=0;第四幅的积分由参数交换为零。

第二、第三幅图的左端,外标量动量为零,三点顶角只给ieμie\ell^\mu。它立即被内部光子的横向投影消去。余下第一幅的相位为 (ie)(2ie2)(1/i)2=2e3(ie)(-2ie^2)(1/i)^2=-2e^3,第四幅为 (iλ)(ie)(1/i)2=eλ(-i\lambda)(ie)(1/i)^2=-e\lambda。因此

iV3μ(k,0)=ieZ1kμ2e3μ~εPμρ()(+2k)ρ2[(+k)2+m2]eλμ~ε(2+k)μ(2+m2)[(+k)2+m2].(65.26)\begin{aligned} iV_3^\mu(k,0) &=ieZ_1k^\mu -2e^3\widetilde\mu^\varepsilon\int_\ell \frac{P^\mu{}_\rho(\ell)(\ell+2k)^\rho} {\ell^2[(\ell+k)^2+m^2]}\\ &\quad-e\lambda\widetilde\mu^\varepsilon\int_\ell \frac{(2\ell+k)^\mu} {(\ell^2+m^2)[(\ell+k)^2+m^2]} . \end{aligned} \tag{65.26}

先看λ\lambda项。用与光子自能相同的参数和移位,积分化为

Bμ(k)=μ~ε01dxq2qμ+(12x)kμ[q2+m2+x(1x)k2]2=kμ01dx(12x)J2(m2+x(1x)k2)=0.(65.27)\begin{aligned} B^\mu(k) &=\widetilde\mu^\varepsilon \int_0^1dx\int_q \frac{2q^\mu+(1-2x)k^\mu} {[q^2+m^2+x(1-x)k^2]^2}\\ &=k^\mu\int_0^1dx\,(1-2x) J_2\big(m^2+x(1-x)k^2\big)=0 . \end{aligned} \tag{65.27}

第一项对qq为奇;剩下一项在x1xx\mapsto1-x时,分母不变,分子反号,故也为零。这是该图整个积分的相消,不仅是其极点的相消。

在第一幅图中,P=0P\ell=0已经提出一个2kρ2k^\rho。为确定一次动量反项,只需分母的零阶展开:

1(+k)2+m2=12+m22k+k2(2+m2)[(+k)2+m2],Pμρ()kρ  (11d)kμ在径向分母的圈积分中.(65.28)\begin{aligned} \frac1{(\ell+k)^2+m^2} &=\frac1{\ell^2+m^2} -\frac{2\ell\cdot k+k^2} {(\ell^2+m^2)[(\ell+k)^2+m^2]},\\ P^\mu{}_\rho(\ell)k^\rho &\ \longrightarrow\ \left(1-\frac1d\right)k^\mu \quad\text{在径向分母的圈积分中}. \end{aligned} \tag{65.28}

第一行余项在大\ell处至少多衰减一个幂,所以在已经提出外动量的图中不再产生原来的对数发散。零阶分母包含m>0m>0,其小\ell行为为1/21/\ell^2,在四维附近局部可积。这里的外动量选择因而保留了所需紫外极点。

记这个混合质量积分为

J11(m2):=μ~ε12(2+m2)=01dxJ2(xm2),J11(m2)pole=i8π2ε.(65.29)\begin{aligned} J_{11}(m^2) &:=\widetilde\mu^\varepsilon \int_\ell\frac1{\ell^2(\ell^2+m^2)} =\int_0^1dx\,J_2(xm^2),\\ J_{11}(m^2)\big|_{\rm pole} &=\frac{i}{8\pi^2\varepsilon}. \end{aligned} \tag{65.29}

有限部分中的01lnxdx=1\int_0^1\ln x\,dx=-1也是收敛的。于是式(65.26)的极部为

V3μ(k,0)etree+pole=[Z14e28π2ε(114)]kμ=[Z13e28π2ε]kμ,Z1=1+3e28π2ε+更高圈项.(65.30)\begin{aligned} \frac{V_3^\mu(k,0)}e\bigg|_{\rm tree+pole} &=\left[Z_1-\frac{4e^2}{8\pi^2\varepsilon} \left(1-\frac14\right)\right]k^\mu\\ &=\left[Z_1-\frac{3e^2}{8\pi^2\varepsilon}\right]k^\mu,\\ Z_1&=1+\frac{3e^2}{8\pi^2\varepsilon} +\text{更高圈项}. \end{aligned} \tag{65.30}

这与Z2Z_2相同。此前我们分别从标量动能和电磁三点函数确定两者,现在由具体图的计算看到了规范对称性对它们的联系。

两标量两光子顶角中的相消

这个四点函数的表面发散度为零,树顶角也与外动量无关。把全部外动量置零以后,只要外标量通过三点顶角接到内部光子上,就又出现μPμν=0\ell^\mu P_{\mu\nu}=0。留下图65d中的三类图。

二标量二光子顶角的三个非零圈图类别

图65d:全部外动量为零。三类分别含两个接触顶角、一个四标量及两个三点顶角、一个四标量及一个接触顶角。前两类还各有一次μν\mu\leftrightarrow\nu的外光子排列,故各取两份;第三类的两个光子已经接在同一个顶角。

外动量相同并不使两条带标签的外光子变成同一条线。第一类的两个光子可以分别接到左右接触顶角;第二类的两个三点顶角也可交换外光子身份。因此前两类各乘2。把相位、导数和这一排列数合起来,有

ca=2(2ie2)2(1/i)2=8e4,cb=2(ie)2(iλ)(1/i)34d=8de2λ,cc=(iλ)(2ie2)(1/i)2=2e2λ.(65.31)\begin{aligned} c_a&=2(-2ie^2)^2(1/i)^2=8e^4,\\ c_b&=2(ie)^2(-i\lambda)(1/i)^3\frac4d =-\frac8d e^2\lambda,\\ c_c&=(-i\lambda)(-2ie^2)(1/i)^2=2e^2\lambda . \end{aligned} \tag{65.31}

第二行的4/d4/d来自(2)μ(2)ν(2\ell)^\mu(2\ell)^\nu的角平均。第一行仍保留内部光子的投影。因此三个圈贡献为

Δ(iV4μν)=8e4μ~εPμν()2(2+m2)8de2λgμνμ~ε2(2+m2)3+2e2λgμνJ2(m2).(65.32)\begin{aligned} \Delta(iV_4^{\mu\nu}) &=8e^4\widetilde\mu^\varepsilon \int_\ell\frac{P^{\mu\nu}(\ell)} {\ell^2(\ell^2+m^2)}\\ &\quad-\frac8d e^2\lambda g^{\mu\nu} \widetilde\mu^\varepsilon \int_\ell\frac{\ell^2}{(\ell^2+m^2)^3} +2e^2\lambda g^{\mu\nu}J_2(m^2). \end{aligned} \tag{65.32}

后两项在整个积分层面相消。对同一个dd维积分作一次分部积分:

0=μ~ερρ(2+m2)2=dJ2(m2)4μ~ε2(2+m2)3,8de2λ(d4J2)+2e2λJ2=0.(65.33)\begin{aligned} 0&=\widetilde\mu^\varepsilon \int_\ell\frac{\partial}{\partial\ell^\rho} \frac{\ell^\rho}{(\ell^2+m^2)^2}\\ &=dJ_2(m^2) -4\widetilde\mu^\varepsilon \int_\ell\frac{\ell^2}{(\ell^2+m^2)^3},\\ -\frac8d e^2\lambda\left(\frac d4J_2\right) +2e^2\lambda J_2&=0 . \end{aligned} \tag{65.33}

所以在全零外动量、相同维数调节下,λ\lambda相关的这两个贡献连有限部分也恰好相消。若先在张量平均中把dd取为4,再保留其余积分的有限部分,便会破坏这里的精确联系。

第一项平均PμνP^{\mu\nu}后给(11/d)gμνJ11(1-1/d)g^{\mu\nu}J_{11}。加上树项,得到

V4μν(0,0,0)e2tree+pole=[2Z4+8e28π2ε(114)]gμν=[2Z4+3e24π2ε]gμν,Z4=1+3e28π2ε+更高圈项.(65.34)\begin{aligned} \frac{V_4^{\mu\nu}(0,0,0)}{e^2} \bigg|_{\rm tree+pole} &=\left[-2Z_4+\frac{8e^2}{8\pi^2\varepsilon} \left(1-\frac14\right)\right]g^{\mu\nu}\\ &=\left[-2Z_4+\frac{3e^2}{4\pi^2\varepsilon}\right]g^{\mu\nu},\\ Z_4&=1+\frac{3e^2}{8\pi^2\varepsilon} +\text{更高圈项}. \end{aligned} \tag{65.34}

树顶角为2e2gμν-2e^2g^{\mu\nu},所以消去圈极点所需的反项是δZ4=3e2/(8π2ε)\delta Z_4=3e^2/(8\pi^2\varepsilon)

四标量顶角与不可省去的四次耦合

最后一个局部四点函数有四条标量外线。仍取全零外动量,横向性消去所有外标量经三点顶角接到内部光子的图。余下的五幅图必须继续保留外线身份:1、2入射,3、4出射。

保留四条外线标签的五幅四标量顶角圈图

图65e:前两幅为光子泡,外线配对分别是(1324)(13|24)(1423)(14|23);第三幅是(1234)(12|34)的同向标量泡,后两幅为(1324)(13|24)(1423)(14|23)的异向标量泡。五幅权重依次为1/2,1/2,1/2,1,11/2,1/2,1/2,1,1

每个双光子接触顶角含一条入、一条出标量,因而光子泡只能有前两种外线分配。固定外标签以后,两条内部光子仍可以交换,两个图的对称因子都为2。第三幅的两条内部标量沿同一方向流动,也可以交换,故同样取1/21/2。后两幅的内部标量箭头相反,交换内线会改变有向图,因而各取1。对称因子中的图自同构固定每一条外线;交换整组外线得到的是另一种外线分配。

也可以直接数带标签的威克收缩。将两个插入点分别记为x,yx,y,保留展开系数1/2!1/2!。两个海鸥顶角的单项式系数为1;两个四标量顶角则另带(1/4)2(1/4)^2。对每一种无序外线分配,把x,yx,y两种标记都计入,有:

内部线与外线分配收缩数单项式及展开系数除以完整顶角乘积后的权重
光子泡,(1324)(13\mid24)41/21/24/(2×22)=1/24/(2\times2^2)=1/2
光子泡,(1423)(14\mid23)41/21/21/21/2
同向标量泡,(1234)(12\mid34)161/321/321/21/2
异向标量泡,(1324)(13\mid24)321/321/3211
异向标量泡,(1423)(14\mid23)321/321/3211

表中海鸥顶角的完整树系数含因子2,四标量顶角的完整树系数为1;电荷、四次耦合和共同相位已提出。光子泡每一种分配有两种顶角标记和两种光子配对,共4次收缩。同向标量泡在固定顶角标记下有2!2!2!\,2!种外端连接、2!2!种内线连接,共8次;异向标量泡的四个外端各有两个同类场可选,共16次。再乘两种顶角标记,就得到表中计数。

光子泡的洛伦兹缩并是两个投影的迹:

gμνPνρ()gρσPσμ()=PμρPρμ=trP2=trP=d1.(65.35)\begin{aligned} g^{\mu\nu}P_{\nu\rho}(\ell) g^{\rho\sigma}P_{\sigma\mu}(\ell) &=P^\mu{}_\rho P^\rho{}_\mu =\operatorname{tr}P^2 =\operatorname{tr}P=d-1 . \end{aligned} \tag{65.35}

闭链中每个内部洛伦兹指标都出现两次,缩并结果为投影的迹d1d-1。两个接触顶角与两条光子内线给(2ie2)2(1/i)2=4e4(-2ie^2)^2(1/i)^2=4e^4。两四标量顶角及两条标量内线则给(iλ)2(1/i)2=λ2(-i\lambda)^2(1/i)^2=\lambda^2。于是

iV4φ(0,0,0)=iZλλ+(12+12)4e4(d1)J2(mγ2)+(12+1+1)λ2J2(m2)=iZλλ+4e4(d1)J2(mγ2)+52λ2J2(m2).(65.36)\begin{aligned} iV_{4\varphi}(0,0,0) &=-iZ_\lambda\lambda +\left(\frac12+\frac12\right)4e^4(d-1)J_2(m_\gamma^2)\\ &\quad+\left(\frac12+1+1\right)\lambda^2J_2(m^2)\\ &=-iZ_\lambda\lambda +4e^4(d-1)J_2(m_\gamma^2) +\frac52\lambda^2J_2(m^2). \end{aligned} \tag{65.36}

这里的光子泡与前面的光子蝌蚪有不同的红外行为。它的积分是J2(mγ2)(mγ2)ε/2J_2(m_\gamma^2)\propto(m_\gamma^2)^{-\varepsilon/2},在固定正ε\varepsilon时随mγ0m_\gamma\to0发散。若从一开始把mγm_\gamma也置零,维数调节会把这个没有尺度的积分记成零,同时隐去原本需要提取的紫外极点。因此先在mγ>0m_\gamma>0时确定极部;红外质量不参与最终的紫外反项。

将式(65.13)用于两个质量,圈项中的d1d-1只在极点系数中取3,得到

V4φ(0,0,0)tree+pole=Zλλ+3e42π2ε+5λ216π2ε.(65.37)V_{4\varphi}(0,0,0)\big|_{\rm tree+pole} =-Z_\lambda\lambda +\frac{3e^4}{2\pi^2\varepsilon} +\frac{5\lambda^2}{16\pi^2\varepsilon}. \tag{65.37}

本式是VV,前式计算的是iViV;整体除以ii以后,树项和圈项都按同一规则变换。

消去极点便给

Zλ=1+1ε(3e42π2λ+5λ16π2)+更高圈项.(65.38)Z_\lambda =1+\frac1\varepsilon \left(\frac{3e^4}{2\pi^2\lambda} +\frac{5\lambda}{16\pi^2}\right) +\text{更高圈项}. \tag{65.38}

以上用乘法因子ZλZ_\lambda表示四次项的重整化。当λ\lambda趋零时,更合适的是保留作用量里真正出现的乘积:

Zλλ=λ+δλ,δλ=1ε(3e42π2+5λ216π2)+更高圈项.(65.39)Z_\lambda\lambda=\lambda+\delta\lambda,\qquad \delta\lambda =\frac1\varepsilon \left(\frac{3e^4}{2\pi^2} +\frac{5\lambda^2}{16\pi^2}\right) +\text{更高圈项}. \tag{65.39}

即使先把树级λ\lambda设为零,两个光子泡仍产生四标量发散。因此局部四次项必须保留,正好实现了第61节引入它时所指出的可重整性要求。取e=0e=0则只剩三个有向标量泡,它们的权重和5/25/2给出纯复标量理论的结果。

这次计算还得到Z1,Z2,Z4Z_1,Z_2,Z_4的相同一圈极部。记a=3e2/(8π2ε)a=3e^2/(8\pi^2\varepsilon),在同一微扰阶上

Z12Z2=1+2a+O(二圈)1+a+O(二圈)=1+a+O(二圈)=Z4.(65.40)\frac{Z_1^2}{Z_2} =\frac{1+2a+O(\text{二圈})} {1+a+O(\text{二圈})} =1+a+O(\text{二圈})=Z_4 . \tag{65.40}

下面先从量子作用量求出低能顶角的归一条件,再由有限规范变换推导这些重整化因子的关系。

在壳物理电荷与软顶角

以下取m>0m>0,在保留红外调节的微扰理论中定义标量极点及其导数; 先作紫外减除,再讨论软光子的边界。 标量内线为i/K(p2)-i/K(p^2),其在壳归一是

K(z)=z+m2Πφ(z),z=p2,K(m2)=0,K(m2)=1,Πφ(m2)=0,Πφ(m2)=0.(65.41)\begin{aligned} K(z)&=z+m^2-\Pi_\varphi(z),\qquad z=p^2,\\ K(-m^2)&=0,\qquad K'(-m^2)=1,\\ \Pi_\varphi(-m^2)&=0,\qquad \Pi_\varphi'(-m^2)=0. \end{aligned} \tag{65.41}

物理横向光子的单位留数另由Πγ(0)=0\Pi_\gamma(0)=0固定, 如第62节的在壳方案。 这里的mm因这些条件而成为物理质量; 它与前面MS\overline{\mathrm{MS}}计算中尚未施加这些条件的质量参数含义不同。 下面未写出的虚光子红外调节始终保留在Πφ\Pi_\varphi及顶角函数中。

从局域相位到三点、四点关系

先以e\mathfrak e表示局域相位中的常数,暂不预先把它等同于物理电荷。 对平滑紧支撑函数χ(x)\chi(x),采用

Aμχ=Aμμχ,φχ=Uφ,φχ=φU1,U=eieχ.(65.42)A_\mu^\chi=A_\mu-\partial_\mu\chi,\qquad \varphi^\chi=U\varphi,\qquad \varphi^{\dagger\chi}=\varphi^\dagger U^{-1}, \qquad U=e^{-i\mathfrak e\chi}. \tag{65.42}

相应反项与这一变换的相容条件将在下文求出。 量子恒等式所需的变元论证可沿用 第63节的量子规范恒等式:标量的两组积分变量φ,φ\varphi,\varphi^\dagger 分别产生detU\det UdetU1\det U^{-1},在共同调节下相消; 光子场平移的雅可比行列式为1。 标量线性源ηφ+φη\eta^\dagger\varphi+\varphi^\dagger\eta的变分分别为 ieηχφ-i\mathfrak e\eta^\dagger\chi\varphi+ieφχη+i\mathfrak e\varphi^\dagger\chi\eta。 这些项对场都是线性的,取期望后可直接用平均场替换。 因此相同的勒让德变换给 δΓ=δSbr\delta\Gamma=\delta S_{\rm br}: 二次规范固定项以及作为红外调节的二次光子质量项,其已知变分留在 Sbr[A]S_{\rm br}[A]中;减去它们后,Γ^=ΓSbr\widehat\Gamma=\Gamma-S_{\rm br} 满足局域相位不变性。调节及反项取成与矢量规范对称相容。

抽出Γ^\widehat\Gamma中恰含一对标量平均场的部分,定义完整逆核:

Γ^φφ=d4xd4yφ(x)K[A](x,y)φ(y),K[Aχ](x,y)=U(x)K[A](x,y)U1(y).(65.43)\begin{aligned} \widehat\Gamma\big|_{\varphi^\dagger\varphi} &=-\int d^4x\,d^4y\, \varphi^\dagger(x)\mathcal K[A](x,y)\varphi(y),\\ \mathcal K[A-\partial\chi](x,y) &=U(x)\mathcal K[A](x,y)U^{-1}(y). \end{aligned} \tag{65.43}

第二行由第一行对任意φ,φ\varphi,\varphi^\dagger不变得到。 所有顶角均取自完整1PI量子作用量。 令q=ppq=p'-p,第二个光子的入动量为qkq-k, 并沿eipxe^{ipx}的傅里叶约定展开:

K[A](p,p)=(2π)4δ4(q)K(p2)V3μ(p,p)Aμ(q)12d4k(2π)4V4μν(k,p,p)Aμ(k)Aν(qk)+O(A3).(65.44)\begin{aligned} \mathcal K[A](p',p) ={}&(2\pi)^4\delta^4(q)K(p^2)-V_3^\mu(p',p)A_\mu(q)\\ &-\frac12\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4}\, V_4^{\mu\nu}(k,p',p)A_\mu(k)A_\nu(q-k)+O(A^3). \end{aligned} \tag{65.44}

两个光子是相同玻色场,故二次项有1/2!1/2!。 作用量前面的负号使核内的两个顶角系数都带负号; 例如树级常背景给 K[A]=(peA)2+m2\mathcal K[A]=(p-eA)^2+m^2, 恰好对应V3μ=e(p+p)μV_3^\mu=e(p'+p)^\muV4μν=2e2gμνV_4^{\mu\nu}=-2e^2g^{\mu\nu}

对式(65.43)χ\chi的一次项和AA的零次项。 左边由δAμ(q)=iqμχ(q)\delta A_\mu(q)=-iq_\mu\chi(q)得到, 右边由相位作用在核的两端得到:

δK(p,p)=iqμV3μ(p,p)χ(q)=ie[K(p2)K(p2)]χ(q),qμV3μ(p,p)=e[K(p2)K(p2)].(65.45)\begin{aligned} \delta\mathcal K(p',p) &=iq_\mu V_3^\mu(p',p)\chi(q)\\ &=i\mathfrak e\,[K(p'^2)-K(p^2)]\chi(q),\\ q_\mu V_3^\mu(p',p) &=\mathfrak e\,[K(p'^2)-K(p^2)]. \end{aligned} \tag{65.45}

在固定红外调节下取任意方向的q0q\to0,逐项比较qq的一次系数, 即得零转移关系

V3μ(p,p)=eK(p2)pμ=2epμK(p2).(65.46)V_3^\mu(p,p)=\mathfrak e\,\frac{\partial K(p^2)}{\partial p_\mu} =2\mathfrak e\,p^\mu K'(p^2). \tag{65.46}

这里p2/pμ=2pμ\partial p^2/\partial p_\mu=2p^\mu,度规仍为(,+,+,+)(-,+,+,+)。 由于式(65.41)已把外标量留数定为1, 物理电荷的定义就是

V3μ(p,p)p2=m2=2epμ,e=e.(65.47)\left.V_3^\mu(p,p)\right|_{p^2=-m^2}=2e\,p^\mu, \qquad\mathfrak e=e. \tag{65.47}

若将两条标量腿均放在壳上,可写 V3μ=e[(p+p)μF(q2)+qμG(q2)]V_3^\mu=e[(p'+p)^\mu F(q^2)+q^\mu G(q^2)]。 它们是此时可用的两个洛伦兹向量; 式(65.45)q2G(q2)=0q^2G(q^2)=0。 在q20q^2\ne0先得G=0G=0,再以固定调节下的连续边界到达q2=0q^2=0, 所以电荷条件也可写成F(0)=1F(0)=1。非零q2q^2处的FF描述电荷分布的动量依赖。

再取式(65.43)中恰含一份χ(k)\chi(k) 和一份Aν(qk)A_\nu(q-k)的系数。核内二次项的两个光子位置各产生一次变分, 正好抵消1/21/2;核两端的相位则分别平移出、入标量动量:

δKχA=ikμV4μν(k,p,p)χ(k)Aν(qk),δKχA=ie[V3ν(pk,p)V3ν(p,p+k)]χ(k)Aν(qk),kμV4μν(k,p,p)=e[V3ν(pk,p)V3ν(p,p+k)].(65.48)\begin{aligned} \delta\mathcal K\big|_{\chi A} &=i k_\mu V_4^{\mu\nu}(k,p',p)\chi(k)A_\nu(q-k),\\ \delta\mathcal K\big|_{\chi A} &=ie\,[V_3^\nu(p'-k,p)-V_3^\nu(p',p+k)] \chi(k)A_\nu(q-k),\\ k_\mu V_4^{\mu\nu}(k,p',p) &=e\,[V_3^\nu(p'-k,p)-V_3^\nu(p',p+k)]. \end{aligned} \tag{65.48}

代入树级三点核,右边为2e2kν-2e^2k^\nu, 与左边的V4μν=2e2gμνV_4^{\mu\nu}=-2e^2g^{\mu\nu}一致,因而这里的差分次序已固定。 在顶角关于软动量可微的调节设置下,对kk的一次系数比较给

V4μν(0,p,p)=e(pμ+pμ)V3ν(p,p).(65.49)V_4^{\mu\nu}(0,p',p) =-e\left(\frac{\partial}{\partial p'_\mu} +\frac{\partial}{\partial p_\mu}\right)V_3^\nu(p',p). \tag{65.49}

然后令p=pp'=p。括号内的两个导数正是沿对角线p=pp'=p的全导数, 因此第二个光子也变软时,

V4μν(0,p,p)=e22K(p2)pμpν=2e2gμνK(p2)4e2pμpνK(p2).(65.50)\begin{aligned} V_4^{\mu\nu}(0,p,p) &=-e^2\frac{\partial^2K(p^2)}{\partial p_\mu\partial p_\nu}\\ &=-2e^2g^{\mu\nu}K'(p^2) -4e^2p^\mu p^\nu K''(p^2). \end{aligned} \tag{65.50}

这一步显式给出了完整1PI四点核中可能存在的第二个张量结构。 在标量质量壳上,它成为

V4μν(0,p,p)p2=m2=2e2gμν+4e2pμpνΠφ(m2).(65.51)\left.V_4^{\mu\nu}(0,p,p)\right|_{p^2=-m^2} =-2e^2g^{\mu\nu} +4e^2p^\mu p^\nu\Pi_\varphi''(-m^2). \tag{65.51}

二阶导数Πφ(m2)\Pi_\varphi''(-m^2)由在壳附近的曲率决定。 例如局部展开K(z)=z+m2+ζ(z+m2)2K(z)=z+m^2+\zeta(z+m^2)^2满足同样的极点与单位留数, 但给四点核增添8e2ζpμpν-8e^2\zeta p^\mu p^\nu, 其中ζ\zeta的质量维数为2-2。 这里的ζ\zeta代表完整动量函数在壳附近的泰勒系数,由圈修正确定。

四点条件与汤姆孙散射

对在壳时间样动量p2=m2p^2=-m^2,定义投到其静止空间的投影张量

Pμν(p)=gμν+pμpνm2,Pμνpν=0,PμαPαν=Pμν.(65.52)\mathcal P^{\mu\nu}(p)=g^{\mu\nu}+\frac{p^\mu p^\nu}{m^2}, \qquad \mathcal P^{\mu\nu}p_\nu=0,\qquad \mathcal P^\mu{}_\alpha\mathcal P^{\alpha\nu}=\mathcal P^{\mu\nu}. \tag{65.52}

(65.51)在这个空间内的归一条件为

PμαPνβV4αβ(0,p,p)p2=m2=2e2Pμν.(65.53)\left. \mathcal P^\mu{}_\alpha\mathcal P^\nu{}_\beta V_4^{\alpha\beta}(0,p,p)\right|_{p^2=-m^2} =-2e^2\mathcal P^{\mu\nu}. \tag{65.53}

等价地,若vp=wp=0v\cdot p=w\cdot p=0, 则vμwνV4μν(0,p,p)=2e2vwv_\mu w_\nu V_4^{\mu\nu}(0,p,p)=-2e^2v\cdot w。 这保留了质量壳上的物理横向响应,同时容许 式(65.51)所要求的pμpνp^\mu p^\nu项。

在入射标量静止系,这一条件直接给出汤姆孙极限。 取p=(m,0)p=(m,\mathbf0),入、出光子动量分别为k,kk,k', 满足k2=k2=0k^2=k'^2=0p=p+kkp'=p+k-k'在壳。 入光子偏振取ϵinμ\epsilon_{\rm in}^{\mu *}, 出光子取ϵoutν\epsilon_{\rm out}^{\nu}。 选取两者的时间分量均为零的横向规范代表,则

pϵin=pϵout=0,kϵin=kϵout=0.(65.54)\begin{aligned} p\cdot\epsilon_{\rm in}^* &=p\cdot\epsilon_{\rm out}=0,\\ k\cdot\epsilon_{\rm in}^* &=k'\cdot\epsilon_{\rm out}=0. \end{aligned} \tag{65.54}

两个单标量交换项各含一个消失的端点收缩。 在吸收入光子的那个初态端点, V3μ(p+k,p)V_3^\mu(p+k,p)只能是pμp^\mukμk^\mu的线性组合, 因而它与ϵinμ\epsilon_{\rm in}^{\mu *}的收缩为零; 另一个交换项的初态端点为V3ν(pk,p)V_3^\nu(p-k',p), 同理被ϵoutν\epsilon_{\rm out}^{\nu}消去。 在非零频率上完成这一收缩后,便可安全地取交换项的软极限。 在电荷共轭不破缺的零背景真空中, AAA\mapsto-Aφφ\varphi\leftrightarrow\varphi^\dagger 使零标量背景的量子作用量为AA的偶函数, 故其三光子1PI系数为零,不存在额外的三光子交换项。 剩下的完整二标量二光子1PI核在双软边界由 式(65.53)确定:

limω0Tλλ=2e2ϵout(k)ϵin(k).(65.55)\lim_{\omega\to0}\mathcal T_{\lambda'\lambda} =-2e^2\, \epsilon_{\rm out}(k')\cdot\epsilon_{\rm in}^*(k). \tag{65.55}

这里ω=k0\omega=k^0;令ω=k0\omega'=k'^0θ\theta为两光子夹角, p2=p2p'^2=p^2m(ωω)=ωω(1cosθ)m(\omega-\omega')=\omega\omega'(1-\cos\theta), 从而ω/ω=[1+(ω/m)(1cosθ)]11\omega'/\omega=[1+(\omega/m)(1-\cos\theta)]^{-1}\to1。 这就是标量汤姆孙归一。上述微分和软极限均先在固定红外调节下进行, 物理无质量光子的结果取其横向边界。对于有限频率的散射, 可测截面还须合并实、虚软光子造成的红外贡献。

因此三点条件可取式(65.47), 四点条件可取式(65.53), 并同时保留完整核的式(65.51)。 若将顶角写为

V3μ(p,p)=eZ1(p+p)μ+V3,loopμ(p,p),V4μν(k,p,p)=2e2Z4gμν+V4,loopμν(k,p,p),(65.56)\begin{aligned} V_3^\mu(p',p)&=eZ_1(p'+p)^\mu+V_{3,\mathrm{loop}}^\mu(p',p),\\ V_4^{\mu\nu}(k,p',p) &=-2e^2Z_4g^{\mu\nu} +V_{4,\mathrm{loop}}^{\mu\nu}(k,p',p), \end{aligned} \tag{65.56}

它们固定的是相应物理投影的有限减除部分; 规范恒等式使这两个条件与标量留数相联系。 要得到OS方案的有限ZZ因子,应在这些物理投影上评价圈顶角。 前面的三点四点计算选择特殊离壳动量,只确定紫外极部, 其有限部分还须按上述在壳条件重新求出。

有限规范变换与重整化常数

现在直接考察含独立Z1,Z2,Z4Z_1,Z_2,Z_4的局部拉格朗日量。 为同时讨论互为共轭的两种电荷约定,定义σ=±1\sigma=\pm1,并记

ρ=φφ,Jμ=φμφ(μφ)φ,Lσ=Z2μφμφiσZ1eJμAμZ4e2ρAμAμZmm2ρ14Zλλρ214Z3FμνFμν.(65.57)\begin{aligned} \rho&=\varphi^\dagger\varphi,\qquad J^\mu=\varphi^\dagger\partial^\mu\varphi -(\partial^\mu\varphi^\dagger)\varphi,\\ \mathcal L_\sigma &=-Z_2\,\partial_\mu\varphi^\dagger\partial^\mu\varphi -i\sigma Z_1eJ^\mu A_\mu-Z_4e^2\rho A_\mu A^\mu\\ &\hspace{1em}-Z_m m^2\rho-\frac14Z_\lambda\lambda\rho^2 -\frac14Z_3F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}. \end{aligned} \tag{65.57}

σ=+1\sigma=+1表示与第61节相容的负交叉项, σ=1\sigma=-1表示交换共轭荷支后的正交叉项。 JμJ^\mu本身是纯虚的,实Zi,e,λZ_i,e,\lambda使拉格朗日量厄米。 在d=4εd=4-\varepsilon的调节中,可把下面每个ee理解为 ed=eμ~ε/2e_d=e\widetilde\mu^{\varepsilon/2}、每个λ\lambda理解为 λd=λμ~ε\lambda_d=\lambda\widetilde\mu^\varepsilon; 两条电磁耦合仍含同一个ede_d,所以所要证明的无量纲ZZ关系不变。

取标准的局域U(1)U(1)作用: 在每一点把一个复标量乘以单位模相位,保持ρ\rho, 变换连续地连到恒等元,并遵守相位的群合成律。 该相位只依赖该点的规范参数,不依赖场、AA或规范参数的导数。 若U(Γ1+Γ2)=U(Γ1)U(Γ2)U(\Gamma_1+\Gamma_2)=U(\Gamma_1)U(\Gamma_2)且在原点可微, 对Γ2\Gamma_2求导并令其为零即得 dU/dΓ=UU(0)dU/d\Gamma=U\,U'(0);单位模性令U(0)=icU'(0)=-iccc为实常数。 故所需的一般形式是

Aμ=Aμrμ,rμ=μΓ,φ=eicΓφ,φ=φeicΓ.(65.58)A_\mu'=A_\mu-r_\mu,\qquad r_\mu=\partial_\mu\Gamma,\qquad \varphi'=e^{-ic\Gamma}\varphi,\qquad \varphi^{\dagger\prime}=\varphi^\dagger e^{ic\Gamma}. \tag{65.58}

规范参数的整体周期在此未作规定;我们只考察上述连通局域变换, 并取通常微扰理论中的非退化动能Z20Z_2\ne0及非零ee

展开导数可得

μφ=eicΓ(μφicrμφ),μφ=(μφ+icrμφ)eicΓ,Jμ=Jμ2icρrμ,μφμφ=μφμφ+icJμrμ+c2ρrμrμ.(65.59)\begin{aligned} \partial_\mu\varphi' &=e^{-ic\Gamma}(\partial_\mu\varphi-icr_\mu\varphi),\\ \partial_\mu\varphi^{\dagger\prime} &=(\partial_\mu\varphi^\dagger+icr_\mu\varphi^\dagger)e^{ic\Gamma},\\ J'^\mu&=J^\mu-2ic\rho r^\mu,\\ \partial_\mu\varphi^{\dagger\prime}\partial^\mu\varphi' &=\partial_\mu\varphi^\dagger\partial^\mu\varphi +icJ^\mu r_\mu+c^2\rho r_\mu r^\mu. \end{aligned} \tag{65.59}

其中JJ'的两个导数项各给icρrμ-ic\rho r^\mu,所以有因子2。 代入线性相互作用时还须同时使用A=ArA'=A-r; 两者共同决定电流项的系数。 质量项和标量四次项仅依赖ρ\rho,而Fμν=FμνF'_{\mu\nu}=F_{\mu\nu}, 它们均不变。剩下的精确差为

LσLσ=i(σZ1eZ2c)Jμrμ+2(Z4e2σZ1ec)ρAμrμ+(Z2c2+2σZ1ecZ4e2)ρrμrμ.(65.60)\begin{aligned} \mathcal L_\sigma'-\mathcal L_\sigma ={}&i(\sigma Z_1e-Z_2c)\,J^\mu r_\mu\\ &+2(Z_4e^2-\sigma Z_1ec)\,\rho A^\mu r_\mu\\ &+(-Z_2c^2+2\sigma Z_1ec-Z_4e^2)\,\rho r_\mu r^\mu . \end{aligned} \tag{65.60}

这是有限Γ\Gamma的结果,保留了(Γ)2(\partial\Gamma)^2项。 例如交叉作用的变化来自 iσZ1e[(J2icρr)(Ar)JA]-i\sigma Z_1e[(J-2ic\rho r)\cdot(A-r)-J\cdot A]; 因此ρAr\rho A\cdot r的贡献为2σZ1ec-2\sigma Z_1ec, 而ρr2\rho r^2的贡献为+2σZ1ec+2\sigma Z_1ec,两者的号不同。

规范参数及场的局部取值可任意变化。 先让φ\varphi的相位梯度改变JμJ^\mu,而固定ρ,A,r\rho,A,r, 电流项便要求c=σeZ1/Z2c=\sigma eZ_1/Z_2。 把它代回其余两项,得到

c=σeZ1Z2,LσLσ=e2(Z4Z12Z2)ρ(2Arr2).(65.61)\begin{aligned} c&=\sigma e\frac{Z_1}{Z_2},\\ \mathcal L_\sigma'-\mathcal L_\sigma &=e^2\left(Z_4-\frac{Z_1^2}{Z_2}\right) \rho\left(2A\cdot r-r^2\right). \end{aligned} \tag{65.61}

对非零ρ\rho再独立改变AArr, 就得到必要条件Z4=Z12/Z2Z_4=Z_1^2/Z_2。 这一条件保证拉格朗日量在每一点保持不变,对任意离壳场都成立。

充分性可直接写成一个完整的平方。 在这一关系成立时,定义

Dσμ=μiσeZ1Z2Aμ,Lσ,matter=Z2(Dσμφ)DσμφZmm2ρ14Zλλρ2,Dσμφ=eicΓDσμφ,c=σeZ1/Z2.(65.62)\begin{aligned} D_{\sigma\mu}&=\partial_\mu-i\sigma e\frac{Z_1}{Z_2}A_\mu,\\ \mathcal L_{\sigma,\mathrm{matter}} &=-Z_2(D_{\sigma\mu}\varphi)^\dagger D_\sigma^\mu\varphi -Z_m m^2\rho-\frac14Z_\lambda\lambda\rho^2,\\ D_{\sigma\mu}'\varphi' &=e^{-ic\Gamma}D_{\sigma\mu}\varphi,\qquad c=\sigma eZ_1/Z_2. \end{aligned} \tag{65.62}

最后一行中的icμΓ-ic\,\partial_\mu\Gamma来自场相位, +icμΓ+ic\,\partial_\mu\Gamma来自Aμ=AμμΓA_\mu'=A_\mu-\partial_\mu\Gamma, 所以精确抵消。结合ρ=ρ\rho'= \rhoF=FF'=F,整部拉格朗日量不变, 充要性因而完成。

将两种符号约定分别还原,结论为

正交叉项:φ=exp ⁣(+ieZ1Z2Γ)φ,负交叉项:φ=exp ⁣(ieZ1Z2Γ)φ,Z4=Z12Z2.(65.63)\begin{aligned} \text{正交叉项}:\quad& \varphi'= \exp\!\left(+ie\frac{Z_1}{Z_2}\Gamma\right)\varphi,\\ \text{负交叉项}:\quad& \varphi'= \exp\!\left(-ie\frac{Z_1}{Z_2}\Gamma\right)\varphi,\\ &Z_4=\frac{Z_1^2}{Z_2}. \end{aligned} \tag{65.63}

负交叉项在Z1=Z2=1Z_1=Z_2=1时恢复相位eieΓe^{-ie\Gamma}。 正交叉项可通过φφ\varphi\leftrightarrow\varphi^\dagger与之对应, 这同时交换粒子与反粒子的电荷。 若e=0e=0,所有这些电磁物质耦合已消失, 任意Z4Z_4都不影响规范不变性,上述关系便不再是必要条件。 Z2=0Z_2=0则失去这里所用的非退化传播动能,不能套用含1/Z21/Z_2的推论。

现在把这个局部作用量与物理电荷的归一条件相接。 在第61节相容的荷支上,式(65.62) 中的相位系数为e=eZ1/Z2\mathfrak e=eZ_1/Z_2在壳电荷条件用标量和光子的物理留数以及零转移顶角将它校准为ee, 故在同一归一与保持沃德关系的减除方案中

Z1=Z2,Z4=Z2.(65.64)Z_1=Z_2,\qquad Z_4=Z_2. \tag{65.64}

三点荷与两光子接触耦合因而不提供两个彼此独立的物理电荷。 若只取一圈,记Zi=1+δZiZ_i=1+\delta Z_i, 充要关系在保留的一圈阶成为

δZ4=2δZ1δZ2.(65.65)\delta Z_4=2\delta Z_1-\delta Z_2. \tag{65.65}

前面由式(65.25)(65.30)(65.34)在横向规范下得到三个相同的 3e2/(8π2ε)3e^2/(8\pi^2\varepsilon)紫外极部,正满足此式。 这里比较的是一圈紫外系数; 在壳有限项由上述物理投影确定。


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文章标题:Srednicki §65 标量电动力学中的圈修正

文章作者:Whitney

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