系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
上一节的困难发生在规范流上:如果纵向规范模式不能退耦,建立物理态空间所需的恒等式就会受到破坏。不过,一个规范理论还可能具有别的对称性。它们只涉及常参数变换,相应流也不与独立的规范场耦合。这些整体对称性在量子论中失效,可以产生新的物理效应。本节研究最简单的例子:无质量狄拉克场的轴向对称性。这一结果将在第90节的强子衰变中再次出现。
推导将复用第75节已经算出的三角图。这里“整体对称性中的反常”指常参数对称性对应的流不守恒,含义不同于上一节由大规范变换引起的“整体规范反常”。以下取耦合记号g、度规(−,+,+,+)和ϵ0123=+1,并沿第75节的{γμ,γν}=−2gμν约定。
无质量狄拉克场的两种相位变换
取一个电荷Q=+1的狄拉克场,令其质量为零。拉格朗日量为
L=iΨˉγμDμΨ−41FμνFμν,Dμ=∂μ−igAμ,Fμν=∂μAν−∂νAμ.(76.1)
单个U(1)理论只有一个规范场,无需另列内部生成元指标。在四维,Ψ,Aμ,Fμν的质量维数分别为3/2,1,2,g无量纲。用g而不用前面电子的电荷e,是因为这里先把这个理论作为研究对称性的例子。
为了看清两个独立的相位,按第36节把狄拉克场写成两个左手外尔场。它们的规范电荷相反:
Ψ=(χξ†),Qχ=+1,Qξ=−1,L=iχ†σˉμ(∂μ−igAμ)χ+iξ†σˉμ(∂μ+igAμ)ξ−41FμνFμν.(76.2)
第二行与四分量写法相差一个全散度。具体地,右手块给出的动能可以重排为
iξσμ(∂μ−igAμ)ξ†=iξ†σˉμ(∂μ+igAμ)ξ+∂μ(iξσμξ†).(76.3)
对导数分部积分产生一个负号,再交换两个奇场产生第二个负号,因此动能的号不变;规范耦合没有分部积分的负号,所以在换序后反号。这就解释了ξ的相反电荷。边界项按前章的作用量边界条件处理。
熟悉的局域规范变换是
Ψ(x)Aμ(x)χ(x)⟼e−igΓ(x)Ψ(x),⟼Aμ(x)−∂μΓ(x),⟼e−igΓ(x)χ(x),Ψˉ(x)ξ(x)⟼Ψˉ(x)e+igΓ(x),⟼e+igΓ(x)ξ(x).(76.4)
它使两个外尔场获得相反相位。规范势的变换恰好消去导数作用在相位上所给出的项:
Dμ′Ψ′=[∂μ−ig(Aμ−∂μΓ)]e−igΓΨ=e−igΓ[−ig(∂μΓ)Ψ+∂μΨ−igAμΨ+ig(∂μΓ)Ψ]=e−igΓDμΨ.(76.5)
这里第二行只是把第一行展开;Fμν则因两个混合偏导相消而不变。因此拉格朗日量保持不变。
没有质量项时,还可以让两个左手场获得相同的常相位,而保持Aμ不变:
χ⟼eiαχ,ξ⟼eiαξ,α=常数,γ5=(−120012),Ψ⟼e−iαγ5Ψ.(76.6)
因为ξ†的相位是e−iα,四分量场的上下两个块正好具有相反相位。这是轴向变换。用Ψˉ=Ψ†γ0求出伴随场的变换:
Ψˉ′e−iαγ5γμ=Ψ†eiαγ5γ0=Ψˉγ0eiαγ5γ0=Ψˉe−iαγ5,=γμeiαγ5.(76.7)
这里用了(γ0)2=1和{γ5,γμ}=0。正是第二个恒等式,使动能与规范耦合中的两个轴相位相消。因此Ψ与Ψˉ的两个轴相位指数须取同号。
轴流及其经典守恒
求这个对称性的诺特流时,暂把α换成位置函数。动能中只有导数作用于α的部分不再相消,因而
δαLjAμ=iΨˉγμ[−i(∂μα)γ5Ψ]=(∂μα)jAμ,:=Ψˉγμγ5Ψ.(76.8)
这一局域变分固定了轴流的整体号。把变分作用量分部积分,得到−∫d4xα∂μjAμ;在经典场方程成立且α紧支撑时,变分作用量为零,所以轴流守恒。
同时记与规范耦合有关的向量流为jμ。四分量矩阵相乘后,右手块出现ξσμξ†;按第35节的指标约定交换两个奇场,它等于−ξ†σˉμξ。于是两个流可写成
jχμjμ:=ΨˉγμΨjAμ=χ†σˉμχ,jξμ=ξ†σˉμξ,=jχμ−jξμ,Lint=gAμjμ,=−jχμ−jξμ.(76.9)
这些双线性使用相同的正规序或局域复合场定义。向量流中两个电荷相减,轴流中两个左手场则同号相加。上一节的规范三次迹于是为13+(−1)3=0;带一个轴流和两个向量流的三角图却具有(−1)(+1)2+(−1)(−1)2=−2的内部权重。向量规范对称性与轴向整体对称性,因而可以有不同的量子行为。
经典守恒也可以直接用狄拉克方程检查。令DμΨˉ=∂μΨˉ+igAμΨˉ;双线性中两个规范势项相消,所以
∂μjAμ=(DμΨˉ)γμγ5Ψ+Ψˉγμγ5DμΨ=(DμΨˉ)γμγ5Ψ−Ψˉγ5γμDμΨ=0(m=0, 经典场方程).(76.10)
若加入−mΨˉΨ,它在轴变换下产生2imαΨˉγ5Ψ,相应地∂μjAμ=2imΨˉγ5Ψ。因此本节取无质量,正是为了分开质量造成的显式破缺与量子反常。
轴流的名称还反映它的宇称性质。沿第40节的宇称作用,记Pμν=diag(1,−1,−1,−1)。场的常相位在双线性中相消,而
γ0γμγ5γ0P−1jA0(t,x)PP−1jAi(t,x)P=−Pμνγνγ5,=−jA0(t,−x),=+jAi(t,−x).(76.11)
普通矢量的空间部分在宇称下反号,轴矢量则为时间分量奇、空间分量偶。它的散度是赝标量,随后出现的ϵFF也有这一宇称。
量子轴流的散度能否包含一个由两个场强组成的项?可以先计算轴流在真空与双光子态之间的矩阵元,再与场强乘积相比较,以判断这一项及其系数。这样既用到了上一节的三角图,也给出了这个局域表达式的直接物理含义。
用流三点函数计算双光子矩阵元
设两个出射光子的动量为p,q,偏振为εμ,εν′。沿第55、56节,偏振定义为场展开中产生部分的系数,故单光子矩阵元为⟨p,λ∣Aμ(x)∣0⟩=εμe−ipx。在取外腿物理边界时,p2=q2=0,且p⋅ε=q⋅ε′=0。螺旋度标签以下省去。
定义连通的流三点函数
Gμνρ(x,y,z)=⟨0∣Tjμ(x)jν(y)jAρ(z)∣0⟩c,G=G0+O(g2).(76.12)
G0由自由狄拉克场收缩得到。三个流各含两个费米场,把它们连起来便形成一圈;这一圈本身没有规范耦合因子,因为流的定义中没有g。两个外光子则要经由gAμjμ与这条圈相连。
按第67节的外光子约化,每条出光子腿给一个ig、一个偏振和一个负指数的傅里叶积分。也可以直接在相互作用展开中看出其组合因子:二阶项带(ig)2/2!,两个带固定标签的外光子可分别接到两个相互作用点,有2!种接法;二者相消。外传播子被LSZ逆核消去后,最低阶矩阵元为
Mρ(z):=⟨p,q∣jAρ(z)∣0⟩=(ig)2εμεν′∫d4xd4ye−i(px+qy)G0μνρ(x,y,z)+O(g4).(76.13)
本节计算到g2阶;光子外腿重叠的O(g2)修正和流核中的内光子交换,都会从矩阵元的g4阶才开始贡献。为求反常的局域紫外系数,仍先采用上一节的非例外外动量或共同红外调节,再取上述外腿边界。
如果两个诺特流的经典守恒关系都能直接用于这个三点函数,三个流端的散度就都应为零。通常的沃德推导还会对其他插入作变分,但这里两个流在两种相位变换下都不变。向量相位在双线性两端直接相消;对轴相位,具体有
δαjμδαjAμ=−iαΨˉ(γ5γμ+γμγ5)Ψ=0,=−iαΨˉ(γ5γμγ5+γμ)Ψ=0.(76.14)
因此,由其他流插入的变分产生的接触项为零。经典预期是
∂xμGμνρ=0,∂yνGμνρ=0,∂zρGμνρ=0,∂zρMρ(z)=0(三条流沃德式均成立时).(76.15)
量子三流乘积在点重合处还需要重整化,三角图的有限局域项将决定这三条沃德式的散度。
为使用上一节的结果,对三个插入位置作傅里叶变换。取三个动量都流出,定义
(2π)4δ4(p+q+r)Cμνρ(p,q,r)=∫d4xd4yd4ze−i(px+qy+rz)Gμνρ(x,y,z),C=C0+O(g2).(76.16)
x,y,z处的三个流分别携带自由指标μ,ν,ρ。p,μ和q,ν对应两个向量流,r,ρ对应轴流。
总动量δ来自共同平移三个插入点。由真空平移不变性,G(x,y,z)=G(x−z,y−z,0)。令X=x−z,Y=y−z,雅可比因子为1;三个位置积分中的共同z积分就是∫d4ze−i(p+q+r)z=(2π)4δ4(p+q+r)。如果像矩阵元中那样保持z不积分,则
∫d4xd4ye−i(px+qy)G0μνρ(x,y,z)=e−i(p+q)z∫d4Xd4Ye−i(pX+qY)G0μνρ(X,Y,0)=C0μνρ(p,q,r)eirzr=−p−q.(76.17)
定义中的总δ已经提出,所以最后一行没有额外的(2π)4。代回约化式,便得到本阶矩阵元及其散度:
Mρ(z)⟨p,q∣∂ρjAρ(z)∣0⟩=−g2εμεν′C0μνρ(p,q,r)eirzr=−p−q+O(g4),=−ig2εμεν′rρC0μνρ(p,q,r)eirzr=−p−q+O(g4).(76.18)
第一行的负号来自(ig)2,第二行的i来自对eirz求导。轴流是局域算符插入,r=−p−q不受单光子的质量壳条件限制。
同样,对坐标沃德式分部积分,∂xμ给ipμ,另两项给iqν,irρ。于是经典守恒所要求的三个动量空间恒等式为
pμCμνρ=0,qνCμνρ=0,rρCμνρ=0.(76.19)
轴流散度的问题已经归结为最后一个收缩。现在可以回到上一节的两张三角图。
保持两个向量流的沃德恒等式
三点函数C0的两个费米定向正是第75节的两幅三角图。区别在于顶角:本节的三个插入分别为γμ,γν,γργ5,上一节的三个规范顶角则各带igγλPL。上一节已把三个左投影移到同一个位置,并利用PL2=PL合并。在两个定向之和中,不含γ5的部分相消,因此只有PL中的−γ5/2部分留下。这个消去过程见式(75.16)。
为同时追踪传播线的负号,仍沿同一圈动量标记,记
DℓTμνρ(ℓ)=[(ℓ−p)2−i0][ℓ2−i0][(ℓ+q)2−i0],=tr[(ℓ−p)γμℓγν(ℓ+q)γργ5].(76.20)
每条无质量狄拉克线是S/i,且S=−k/(k2−i0)。所以一个定向的三个分子给(−1)3,闭费米圈再给−1;三个1/i相乘为i。与上一节相比较,有
C0,1μνρV75,1μνρ=(−1)(i1)3(−1)3∫(2π)4d4ℓDℓTμνρ(ℓ)=i∫(2π)4d4ℓDℓTμνρ(ℓ),=2ig3∫(2π)4d4ℓDℓTμνρ(ℓ).(76.21)
两个定向的奇部分相加,所以两种核的总和满足
iV75μνρ=−21(ig)3C0μνρ+O(g5),V75μνρ=2g3C0μνρ+O(g5).(76.22)
右端的C0从g0开始,左端顶角从g3开始;这正是两边圈图相同而顶角因子不同所要求的阶数。
上一节用a=c(p−q)描述共同的圈动量选线改变,并算出了三个收缩。将其式(75.32)除以g3/2,得到
pμC0μνρqνC0μνρrρC0μνρ=−4π2i(1−c)ϵνραβqαrβ,=−4π2i(1−c)ϵρμαβrαpβ,=−4π2i(2c)ϵμναβpαqβ.(76.23)
这次必须让前两行同时为零,因为这两个流与光子耦合,它们的沃德恒等式保证光子偏振的规范部分退耦。因此取c=1。第三个插入是轴流,与前两个插入不同;三点函数只须在两个向量插入之间对称。所以这里的选择与上一节三个相同手征规范流所要求的c=1/3相容,各自对应不同的流身份。
取定c=1以后,向量流保持守恒,轴流则留下非零散度:
pμCμνρ=qνCμνρ=0,rρCμνρ=−2π2iϵμναβpαqβ+O(g2).(76.24)
两个向量沃德恒等式可以由保持规范对称性的定义继续维持;第二行是本节实际求得的一圈项。改变局域三点项能够重新分配三条腿上的破缺,却不能令它们同时消失。保持规范耦合所需的两条恒等式以后,剩下的破缺就表现为轴向整体对称性的反常。
还可以把这个结论变回位置空间,以看清接触项从哪里出现。式(76.16)中,对z的散度变为irρCμνρ;另一方面,∂xαδ4(x−z)的傅里叶积分为ipαe−ipz。因此
∂zρGμνρ(x,y,z)=−2π21ϵμναβ∂xαδ4(x−z)∂yβδ4(y−z)+O(g2).(76.25)
右边两个导数各给一个i,使其傅里叶变换成为+ϵμναβpαqβ/(2π2),恰好等于式(76.24)的irρC。这个量子接触分布支撑在三个流重合之处。再对xμ或yν求散度时,对称的双导数与ϵ缩并为零,仍与两个向量沃德恒等式相符。
场强乘积及反常的局域形式
现在将式(76.24)代回双光子矩阵元。来自位置导数的−i与来自三角核的−i相乘,给出一个负号:
⟨p,q∣∂ρjAρ(z)∣0⟩=−2π2g2ϵμναβpαqβεμεν′e−i(p+q)z+O(g4).(76.26)
两光子交换时,μ,ν和α,β同时交换,两个负号相消。若把任一偏振换成同腿动量,反对称张量与两个相同动量缩并为零,所以结果具有外光子所需的规范不变性。
为了把这个动量结构认成场强乘积,先在自由场中写出光子态和场展开的归一。取两种物理偏振λ,λ′,用协变连续标签归一的态:
∣p,λ;q,λ′⟩=aλ†(p)aλ′†(q)∣0⟩,[aλ(p),aσ†(k)]=(2π)32p0δλσδ3(p−k).(76.31)
对光滑波包,这些关系给出通常的福克空间内积。在库仑规范ε0=0下,
Aμ(z)=σ∑∫(2π)32k0d3k[εσμ∗(k)aσ(k)eikz+εσμ(k)aσ†(k)e−ikz].(76.32)
产生部分的偏振系数是εμ,相应湮灭部分带其复共轭。直接用对易子收缩,得到
⟨p,λ∣Aμ(z)∣0⟩=σ∑∫(2π)32k0d3kεσμ(k)e−ikz(2π)32p0δλσδ3(p−k)=εμe−ipz.(76.33)
这样,每条模式积分中的(2π)32k0都由外态归一约去。对产生部分的相位e−ipz微分,便有
fμν(p,ε)⟨p,λ∣Fμν(z)∣0⟩:=pμεν−pνεμ,=−ifμν(p,ε)e−ipz.(76.27)
将式(76.31)中的对易子记为I(p,λ;k,σ),两次收缩给
⟨0∣aλ′(q)aλ(p)aσ†(k)aτ†(l)∣0⟩=I(p,λ;k,σ)I(q,λ′;l,τ)+I(p,λ;l,τ)I(q,λ′;k,σ).(76.34)
第一项把p配给第一个场强,第二项把p配给第二个场强,两个配对取玻色正号。用自由威克乘积定义同点场强,其真空减除项是单位算符,对真空到双光子的矩阵元无贡献。因此
⟨p,q∣:Fμν(z)Fρσ(z):∣0⟩=−[fμν(p,ε)fρσ(q,ε′)+fμν(q,ε′)fρσ(p,ε)]e−i(p+q)z.(76.28)
这里的负号是 (−i)2;两个配对间取玻色正号。协变外态归一给出的 (2π)32ω 与每条模式积分中的测度分母相消。再与列维—奇维塔张量缩并,每种配对都给出四个相等的项:
ϵμνρσfμν(p,ε)fρσ(q,ε′)=ϵμνρσ(pμενqρεσ′−pμενqσερ′)+ϵμνρσ(−pνεμqρεσ′+pνεμqσερ′)=4ϵμνρσpμενqρεσ′.(76.35)
展开乘积后,在第二项交换 ρ,σ,第三项交换 μ,ν,第四项同时作这两次交换,列维—奇维塔张量的符号便把各项都变成第一项。交换整个指标对是偶置换,所以另一种光子配对贡献相同。把指标整理成三角图所用的次序,结果为
⟨p,q∣ϵμνρσ:FμνFρσ:(z)∣0⟩=−8ϵαμβνpαqβεμεν′e−i(p+q)z=+8ϵμναβpαqβεμεν′e−i(p+q)z.(76.29)
数值8来自两种配对乘每个场强的两个反对称项。最后的指标置换为奇,恰好消去两次微分的负号。将这个式子乘以−g2/(16π2),就得到三角图的矩阵元。
要把匹配写成局域形式,还要确定允许出现哪些密度。轴流散度的维数是4,并且是赝标量。保持向量规范不变性时,纯光子局域项应由场强和它的导数组成。两个场强已用尽维数4;其赝标量缩并只有ϵμνρσFμνFρσ。一个场强配两个导数的赝标量候选可写成ϵμνρσ∂μ∂νFρσ,它因两个导数对称而为零;把一个导数先缩并到场强的写法也由比安基恒等式给零。因此,在保持向量沃德恒等式、以式(76.8)固定轴流归一的定义下,本节确定
∂μjAμ∣一圈局域光子项=−16π2g2ϵμνρσFμνFρσ.(76.30)
双光子匹配固定了这一局域项;含其他插入时的运动方程项和接触项,需要把轴流作为复合算符统一定义。第77节从费米子积分测度导出任意插入的轴向沃德恒等式,并说明反常系数的一圈精确性所采用的共同算符归一。
在无质量理论中,规范耦合保持向量流的守恒,局域场强乘积则成为轴荷变化的源。轴向整体对称性的反常由此与光子的规范沃德恒等式并存。
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