Srednicki §91 中微子质量

26 年 9 月 14 日 星期一
5172 字
26 分钟
系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇

第88、89节用同一个Higgs真空给带电轻子和夸克赋予质量,却始终留下无质量的中微子。本节要改变这一点。只增加一种不带规范荷的Weyl 场,就能同时引入狄拉克耦合与马约拉纳质量;两种结构合在一起,会使一个质量增大、另一个质量减小。这就是跷跷板机制(seesaw mechanism)。

独立左手场νˉ\bar\nu的横线是场名的一部分;它与ν\nu^\dagger分别属于不同的洛伦兹表示。

从零质量预言到两种质量项

回顾一代轻子夸克表示:全左Weyl 场依次为 qαi(3,2,1/6)q_{\alpha i}\sim(\mathbf3,\mathbf2,1/6)uˉα(3,1,2/3)\bar u^\alpha\sim(\overline{\mathbf3},\mathbf1,-2/3)dˉα(3,1,1/3)\bar d^\alpha\sim(\overline{\mathbf3},\mathbf1,1/3)i(1,2,1/2)\ell_i\sim(\mathbf1,\mathbf2,-1/2)eˉ(1,1,1)\bar e\sim(\mathbf1,\mathbf1,1)。 Higgs场φi\varphi_i属于(1,2,1/2)(\mathbf1,\mathbf2,-1/2)。 此前按量纲、规范单态和洛伦兹缩并,已逐一得到三种可重整汤川项:

LYuk=yϵijφijeˉyϵijφiqαjdˉαyφiqαiuˉα+h.c.(91.1)\begin{aligned} \mathcal L_{\rm Yuk}={}& -y\epsilon^{ij}\varphi_i\ell_j\bar e -y'\epsilon^{ij}\varphi_iq_{\alpha j}\bar d^\alpha\\ &-y''\varphi^{\dagger i}q_{\alpha i}\bar u^\alpha +\text{h.c.} \end{aligned} \tag{91.1}

φ=(v+H,0)T/2\varphi=(v+H,0)^T/\sqrt2,前两项选出双重态的下分量,第三项选出上夸克,分别给e,d,ue,d,u质量。中微子ν=1\nu=\ell_1没有相配的中性单态,而\ell\ell本身的超荷又不为零。因此,在这组场和可重整算符的范围内,中微子质量为零。

我们要解释的是中微子与带电费米子之间可能相差很大的质量层级;本节末尾将说明,中微子振荡直接测量的是质量平方差。现在先回到单代,加入左Weyl 场 νˉ(1,1,0)\bar\nu\sim(\mathbf1,\mathbf1,0)。它的规范连接为零,动能就是 iνˉσˉμμνˉi\bar\nu^\dagger\bar\sigma^\mu\partial_\mu\bar\nu。另一方面, φii\varphi^{\dagger i}\ell_i的超荷为1/21/2=01/2-1/2=0,弱指标也已缩并,所以可以加入

LνYuk=y~φiiνˉ+h.c.(91.2)\mathcal L_{\nu{\rm Yuk}} =-\widetilde y\,\varphi^{\dagger i}\ell_i\bar\nu +\text{h.c.} \tag{91.2}

两个左场的旋量指标按第35节缩并。φνˉ\varphi^\dagger\ell\bar\nu的量纲为 1+3/2+3/2=41+3/2+3/2=4,因此y~\widetilde y仍是无量纲耦合。幺正规范给

LνYuk=v+H2(y~ννˉ+y~νˉν),m~=y~v2.(91.3)\begin{aligned} \mathcal L_{\nu{\rm Yuk}} &=-\frac{v+H}{\sqrt2} \left(\widetilde y\,\nu\bar\nu +\widetilde y^*\,\bar\nu^\dagger\nu^\dagger\right),\\ \widetilde m&=\frac{\widetilde yv}{\sqrt2}. \end{aligned} \tag{91.3}

ν\nuνˉ\bar\nu^\dagger可以组成狄拉克场的左右两块。若只有这一项,质量的大小完全由y~\widetilde y决定,因而可以选很小的耦合得到很轻的中微子。跷跷板机制则通过另一个质量尺度产生这种层级。令y~\widetilde y为零还会使单态场获得额外的独立相位对称性。

规范单态还有一个特殊之处:两个νˉ\bar\nu相乘也构成规范单态。因此质量项

LM=12Mνˉνˉ12Mνˉνˉ(91.4)\mathcal L_M =-\frac12M\bar\nu\bar\nu -\frac12M^*\bar\nu^\dagger\bar\nu^\dagger \tag{91.4}

不需要Higgs场,MM的大小也不受电弱破缺尺度直接限制。这是马约拉纳质量。相同的奇场之积并不在这里消失,因为实际缩并的是两个不同的旋量分量。沿已建立的缩并规则

χψ=χaψa=ψaχa=ψaχa=ψχ,ψψ=ψ2ψ1ψ1ψ2=2ψ1ψ2.(91.5)\begin{aligned} \chi\psi&=\chi^a\psi_a =-\psi_a\chi^a=\psi^a\chi_a=\psi\chi,\\ \psi\psi&=\psi_2\psi_1-\psi_1\psi_2=-2\psi_1\psi_2. \end{aligned} \tag{91.5}

场换序和指标反对称各给一个负号,整个双线性因而对两个场对称。质量项前的1/21/2则抵消变分两个相同场产生的二重数。

先把一代的参数化简。令旧,eˉ,νˉ\ell,\bar e,\bar\nu分别等于新场乘 eiα,eiγ,eiβe^{i\alpha},e^{i\gamma},e^{i\beta},三个系数的相位变成

argyargy+α+γ,argy~argy~+α+β,argMargM+2β.(91.6)\begin{aligned} \arg y&\longmapsto\arg y+\alpha+\gamma,\\ \arg\widetilde y&\longmapsto\arg\widetilde y+\alpha+\beta,\\ \arg M&\longmapsto\arg M+2\beta . \end{aligned} \tag{91.6}

当三个参数均非零时,先选β=argM/2\beta=-\arg M/2,再选α=argy~β\alpha=-\arg\widetilde y-\beta,最后选γ=argyα\gamma=-\arg y-\alpha,便使M>0M>0y~,y>0\widetilde y,y>0。以下单代计算采用这组实参数;零耦合的相位任意,三代计算则保留一般复矩阵。

两个质量怎样分离

在真空附近令H=0H=0,并暂记n=νˉn=\bar\nud=m~0d=\widetilde m\ge0。两种质量项合为

Lmass=12(νn)M(νn)+h.c.,M=(0ddM).(91.7)\begin{gathered} \mathcal L_{\rm mass} =-\frac12 \begin{pmatrix}\nu&n\end{pmatrix} \mathscr M \begin{pmatrix}\nu\\n\end{pmatrix} +\text{h.c.},\\ \mathscr M=\begin{pmatrix}0&d\\d&M\end{pmatrix}. \end{gathered} \tag{91.7}

矩阵的两个非对角项给dνn+dnν=2dνnd\nu n+dn\nu=2d\nu n,所以正确恢复原狄拉克项。求带符号的本征值时,

det(MλI)=(λ)(Mλ)d2=λ2Mλd2,λ±=M±M2+4d22.(91.8)\begin{aligned} \det(\mathscr M-\lambda I) &=(-\lambda)(M-\lambda)-d^2 =\lambda^2-M\lambda-d^2,\\ \lambda_\pm&=\frac{M\pm\sqrt{M^2+4d^2}}2 . \end{aligned} \tag{91.8}

d>0d>0时一个根为负,另一个为正。先用实正交矩阵确定两个方向:

O=(cssc),c=cosθ,s=sinθ,(OTMO)12=d(c2s2)Mcs=0,tan2θ=2dM,OTMO=diag(2dcs+Ms2,  2dcs+Mc2)=diag(λ,λ+).(91.9)\begin{gathered} O=\begin{pmatrix}c&s\\-s&c\end{pmatrix}, \qquad c=\cos\theta,\quad s=\sin\theta,\\ (O^T\mathscr M O)_{12} =d(c^2-s^2)-Mcs=0, \qquad \tan2\theta=\frac{2d}{M},\\ O^T\mathscr M O =\operatorname{diag}(-2dcs+Ms^2,\;2dcs+Mc^2) =\operatorname{diag}(\lambda_-,\lambda_+). \end{gathered} \tag{91.9}

0θ<π/40\le\theta<\pi/4便使第一列接近原来的ν\nu方向。负根可以用Weyl 场的相位吸收:令第一列再乘ii,则

N2=Odiag(i,1)=(icsisc),(νn)=N2(χlχh),N2TMN2=diag(ml,mh),ml=M2+4d2M2,mh=M2+4d2+M2.(91.10)\begin{gathered} N_2=O\operatorname{diag}(i,1) =\begin{pmatrix}ic&s\\-is&c\end{pmatrix}, \qquad \begin{pmatrix}\nu\\n\end{pmatrix} =N_2\begin{pmatrix}\chi_l\\\chi_h\end{pmatrix},\\ N_2^T\mathscr M N_2 =\operatorname{diag}(m_l,m_h),\\ m_l=\frac{\sqrt{M^2+4d^2}-M}{2},\qquad m_h=\frac{\sqrt{M^2+4d^2}+M}{2}. \end{gathered} \tag{91.10}

动能中的相位乘积为ii=1i^*i=1,质量项中却是i2=1i^2=-1,因而质量变为正值,归一保持不变。四分量马约拉纳场的上下两块分别由χ\chiχ\chi^\dagger构成,所以相应相位是iii-i

d/M1d/M\ll1时,展开平方根 1+4d2/M2=1+2d2/M22d4/M4+\sqrt{1+4d^2/M^2}=1+2d^2/M^2-2d^4/M^4+\cdots,得到

ml=d2Md4M3+O(d6/M5),mh=M+d2Md4M3+O(d6/M5),mlmh=d2,mhml=M,tanθ=dmh=dM+O(d3/M3).(91.11)\begin{aligned} m_l&=\frac{d^2}{M}-\frac{d^4}{M^3} +O(d^6/M^5),\\ m_h&=M+\frac{d^2}{M}-\frac{d^4}{M^3} +O(d^6/M^5),\\ m_lm_h&=d^2,\qquad m_h-m_l=M,\\ \tan\theta&=\frac{d}{m_h} =\frac{d}{M}+O(d^3/M^3). \end{aligned} \tag{91.11}

质量乘积由行列式的绝对值固定;增大MM便使重质量进一步增大、轻质量反而减小。这给出“跷跷板”的名称。由式(91.10),轻场中原单态与活跃场的比为 n/ν=s/c=d/mhn/\nu=-s/c=-d/m_h,所以轻粒子主要通过ν\nu参与弱作用,重粒子与弱流的混合只有d/Md/M阶。有号本征值的领头结果分别为MMd2/M-d^2/M,其符号与物理质量的非负性由上述相位合同联系起来。

可以用电子质量量级作一个例子。取已在第88节给出的me=0.511m_e=0.511 MeV,并令d=med=m_eM=103M=10^3 GeV,单位换算为

d2M=(0.511×103 GeV)2103 GeV=2.61121×1010 GeV=0.261121 eV.(91.12)\frac{d^2}{M} =\frac{(0.511\times10^{-3}\ {\rm GeV})^2} {10^3\ {\rm GeV}} =2.61121\times10^{-10}\ {\rm GeV} =0.261121\ {\rm eV}. \tag{91.12}

因此在这个输入下,10310^3 GeV量级的重尺度已经可以给出亚eV轻质量。不同的dd对应不同的重尺度。若d=0d=0,轻场为零模;若M=0M=0d>0d>0,两种马约拉纳质量都等于dd,可以重新合成一个狄拉克粒子,此时也就没有重轻消元的层级。

直接积去重场

另一条路从低能作用量出发。实验若不能激发质量为MM的单态,只需要保留它对轻场的作用。令 η=φii\eta=\varphi^{\dagger i}\ell_i,这是一个量纲5/25/2的左旋量。先不写厄米共轭,相关密度为 12Mnny~ηn-\tfrac12Mn n-\widetilde y\,\eta n。 沿第36节的左变分

δnL=y~ηδn12M(δnn+nδn)=δn(y~η+Mn),ncl=y~Mη.(91.13)\begin{aligned} \delta_n\mathcal L &=-\widetilde y\,\eta\,\delta n -\frac12M(\delta n\,n+n\,\delta n)\\ &=-\delta n\,(\widetilde y\,\eta+Mn),\\ n_{\rm cl}&=-\frac{\widetilde y}{M}\eta . \end{aligned} \tag{91.13}

第二行用了式(91.5),变分旋量本身也是奇量。在当前外部导数远小于MM的领头阶,重场动能可以先略去,运动方程成为代数方程。

把解代回时,汤川项给+y~2ηη/M+\widetilde y^2\eta\eta/M,重质量项给 y~2ηη/(2M)-\widetilde y^2\eta\eta/(2M),相加留下正的一半。完成平方可以同时看清这两个系数:

12Mnny~ηn=12M(n+y~Mη)(n+y~Mη)+y~22Mηη.(91.14)\begin{aligned} -\frac12Mn n-\widetilde y\,\eta n ={}&-\frac12M \left(n+\frac{\widetilde y}{M}\eta\right) \left(n+\frac{\widetilde y}{M}\eta\right)\\ &+\frac{\widetilde y^2}{2M}\eta\eta . \end{aligned} \tag{91.14}

两个交叉项相等,合为原来的y~ηn-\widetilde y\,\eta n。在路径积分中,平移重Grassmann变量后,首项的Gaussian积分只留下与轻场无关的常数。低能的领头算符便是

Leff(5)=y~22M(φii)(φjj)+h.c.(91.15)\mathcal L_{\rm eff}^{(5)} =\frac{\widetilde y^2}{2M} (\varphi^{\dagger i}\ell_i) (\varphi^{\dagger j}\ell_j) +\text{h.c.} \tag{91.15}

算符量纲为5,其系数量纲为1-1。它表明:在原场内容中,规范对称性允许中微子质量,只是最先出现的相应算符超过了可重整量纲。这里又给出了这个算符的一种具体来源。

η=(v+H)ν/2\eta=(v+H)\nu/\sqrt2代入,

Leff(5)=y~2(v+H)24M(νν+νν)=12mν(νν+νν)(1+H/v)2,mν=y~2v22M=d2M.(91.16)\begin{aligned} \mathcal L_{\rm eff}^{(5)} &=\frac{\widetilde y^2(v+H)^2}{4M} (\nu\nu+\nu^\dagger\nu^\dagger)\\ &=-\frac12m_\nu (\nu\nu+\nu^\dagger\nu^\dagger)(1+H/v)^2,\\ m_\nu&=-\frac{\widetilde y^2v^2}{2M} =-\frac{d^2}{M}. \end{aligned} \tag{91.16}

这与精确的λ\lambda_-展开相同。再作ν=iχl\nu=i\chi_l的领头场换元,即可得到正物理质量ml=d2/Mm_l=d^2/MHHH2H^2的耦合则由同一个(v+H)2(v+H)^2同时固定。

三代重场的消元次序

现在把,eˉ,νˉ\ell,\bar e,\bar\nu各取三代。为使矩阵的两个空间清楚,活跃轻子用I,J=1,2,3I,J=1,2,3,规范单态用A,B=1,2,3A,B=1,2,3,并记 YIA=y~IAY_{IA}=\widetilde y_{IA}nA=νˉAn_A=\bar\nu_A。一般质量及汤川作用量为

LYuk+mass=ϵijφijIyIJeˉJφiiIYIAnA12MABnAnB+h.c.,MT=M.(91.17)\begin{aligned} \mathcal L_{\rm Yuk+mass}={}& -\epsilon^{ij}\varphi_i\ell_{jI}y_{IJ}\bar e_J -\varphi^{\dagger i}\ell_{iI}Y_{IA}n_A\\ &-\frac12M_{AB}n_An_B+\text{h.c.}, \qquad M^T=M . \end{aligned} \tag{91.17}

y,Yy,Y是一般复矩阵。MM的对称性来自nAnB=nBnAn_An_B=n_Bn_A,与它是否为实矩阵无关。幺正规范给

LYuk+mass=v+H2eIyIJeˉJv+H2νIYIAnA12MABnAnB+h.c.,mD=v2Y.(91.18)\begin{aligned} \mathcal L_{\rm Yuk+mass}={}& -\frac{v+H}{\sqrt2}e_Iy_{IJ}\bar e_J -\frac{v+H}{\sqrt2}\nu_IY_{IA}n_A\\ &-\frac12M_{AB}n_An_B+\text{h.c.}, \qquad m_D=\frac{v}{\sqrt2}Y . \end{aligned} \tag{91.18}

全六场质量矩阵的四个块为 (0mDmDTM)\left(\begin{smallmatrix}0&m_D\\m_D^T&M\end{smallmatrix}\right)。 我们先在规范不破缺的写法中消去重场,以便同时保留Higgs耦合。

ηI=φiiI\eta_I=\varphi^{\dagger i}\ell_{iI}。关于nAn_A作左变分,

δnLhol=δnA(YIAηI+MABnB),MABnB=YIAηI,nA=(M1)ABYIBηI,n=M1YTη.(91.19)\begin{aligned} \delta_n\mathcal L_{\rm hol} &=-\delta n_A\left(Y_{IA}\eta_I+M_{AB}n_B\right),\\ M_{AB}n_B&=-Y_{IA}\eta_I,\\ n_A&=-(M^{-1})_{AB}Y_{IB}\eta_I, \qquad n=-M^{-1}Y^T\eta . \end{aligned} \tag{91.19}

出现的是YTY^T,因为运动方程的自由指标属于重场。关于nn^\dagger的方程是它的厄米共轭。

代回的两项分别为一份与负的半份ηTYM1YTη\eta^TYM^{-1}Y^T\eta。因此

Leff(5)=12ηTKη+h.c.,KIJ=YIA(M1)ABYJB,K=YM1YT=KT,mν=v22K=mDM1mDT.(91.20)\begin{aligned} \mathcal L_{\rm eff}^{(5)} &=\frac12\eta^T K\eta+\text{h.c.},\\ K_{IJ}&=Y_{IA}(M^{-1})_{AB}Y_{JB}, \qquad K=YM^{-1}Y^T=K^T,\\ m_\nu&=-\frac{v^2}{2}K=-m_D M^{-1}m_D^T . \end{aligned} \tag{91.20}

每个η\eta仍带一个旋量指标,ηTKη\eta^TK\eta只省去代求和,不改变旋量缩并的次序。(M1)T=M1(M^{-1})^T=M^{-1}保证KK对称。也可以沿一代完成平方的办法,将nn平移为n+M1YTηn+M^{-1}Y^T\eta;两个交叉项合为ηTYn-\eta^TYn,留下的常数正是本式的+12ηTKη+\tfrac12\eta^TK\eta

每个矩阵指标连接指定的代空间。譬如在一个二代子块中取

Y=(0ab0),M=diag(M1,M2),YM1YT=diag(a2/M2,  b2/M1),YTM1Y=diag(b2/M2,  a2/M1).(91.21)\begin{gathered} Y=\begin{pmatrix}0&a\\b&0\end{pmatrix}, \qquad M=\operatorname{diag}(M_1,M_2),\\ YM^{-1}Y^T =\operatorname{diag}(a^2/M_2,\;b^2/M_1),\\ Y^TM^{-1}Y =\operatorname{diag}(b^2/M_2,\;a^2/M_1). \end{gathered} \tag{91.21}

第一种结果中,轻场1只接重场2,所以分母为M2M_2、耦合为a2a^2,与所定义的汤川耦合吻合。

换基也能检查这个方向。若旧η=Lη\eta=L\eta'、旧n=Vnn=Vn',则

Y=LTYV,M=VTMV,(M)1=VM1V,Y(M)1(Y)T=LTYVVM1VVTYTL=LT(YM1YT)L.(91.22)\begin{aligned} Y'&=L^TYV,\qquad M'=V^TMV,\\ (M')^{-1}&=V^\dagger M^{-1}V^*,\\ Y'(M')^{-1}(Y')^T &=L^TYV\,V^\dagger M^{-1}V^*V^TY^TL\\ &=L^T(YM^{-1}Y^T)L . \end{aligned} \tag{91.22}

重代矩阵由VV=VVT=IVV^\dagger=V^*V^T=I相消,剩下的正是轻质量应有的合同变换。这个检验同时说明,有效质量的定义与重场基的选择无关。

由于mνm_\nu一般为复数,低能质量作用量应写成

Leffv+H2eIyIJeˉJ+h.c.12(1+H/v)2[(mν)IJνIνJ+(mν)IJνJνI].(91.23)\begin{aligned} \mathcal L_{\rm eff}\supset{}& -\frac{v+H}{\sqrt2}e_Iy_{IJ}\bar e_J+\text{h.c.}\\ &-\frac12(1+H/v)^2 \left[(m_\nu)_{IJ}\nu_I\nu_J +(m_\nu)^*_{IJ}\nu_J^\dagger\nu_I^\dagger\right]. \end{aligned} \tag{91.23}

共轭首先倒转场的次序;再用点旋量双线性的对称性,便可把J,IJ,I换回I,JI,J。两个共轭单项式的系数也互为复共轭;在实质量基中,它们才相等。

消去重场需要真实的质量层级。后面将证明,复对称MM的物理质量是它的非负奇异值。因此要求最小重奇异值 σmin(M)\sigma_{\min}(M)远大于外部尺度,并有 mD/σmin(M)1\|m_D\|/\sigma_{\min}(M)\ll1,这里取矩阵谱范数。若MM有零模,应先分离其重子空间,只积去其中的大质量态,把其余单态留在低能理论中。

舍去的动能还指明了下一阶的大小。令 A=M1YTA=M^{-1}Y^T,将n=Aηn=-A\eta代入重场动能,得到

ΔL(6)=iηAAσˉμμη,R=M1mDT,δZ=RR,zδZz=Rz20.(91.24)\begin{aligned} \Delta\mathcal L^{(6)} &=i\eta^\dagger A^\dagger A\, \bar\sigma^\mu\partial_\mu\eta,\\ R&=M^{-1}m_D^T,\qquad \delta Z=R^\dagger R,\qquad z^\dagger\delta Zz=\|Rz\|^2\ge0 . \end{aligned} \tag{91.24}

η\eta是规范单态,所以这里对整个η\eta作普通导数。Higgs取真空后,第一行给轻动能的相对R2\|R\|^2修正。把轻场重新归一,也会相应改变弱流。以下保留维数五质量、略去这一维数六效应;由此得到的三轻态混合矩阵是幺正的。

复对称质量矩阵怎样对角化

带电质量仍可用第88节的奇异值分解。若 y=UedeVey=U_e d_e V_e^\dagger,其中ded_e为非负实对角阵,则取

eold=Eem,eˉold=Eˉeˉm,E=Ue,Eˉ=Ve,ETyEˉ=de,meI=(de)Iv2.(91.25)\begin{gathered} e_{\rm old}=Ee_{\rm m},\qquad \bar e_{\rm old}=\bar E\bar e_{\rm m},\\ E=U_e^*,\qquad\bar E=V_e,\qquad E^Ty\bar E=d_e,\qquad m_{eI}=(d_e)_I\frac{v}{\sqrt2}. \end{gathered} \tag{91.25}

中微子却只有一组左场,质量项的两个因子必须用同一个矩阵变换。所需的是 νold=Nνm\nu_{\rm old}=N\nu_{\rm m}NTmνN=dνN^Tm_\nu N=d_\nu。 这种把复对称矩阵化为非负实对角阵的分解称为Takagi分解。下面从实对称谱定理构造这一合同变换。

暂以A=ATA=A^T表示任意n×nn\times n复对称矩阵,写成 A=B+iCA=B+iC,其中B,CB,C均为实对称矩阵。引入

H=(BCCB),J=(0II0),HT=H,JT=J,J2=I,HJ=(CBBC)=JH.(91.26)\begin{gathered} \mathscr H=\begin{pmatrix}B&-C\\-C&-B\end{pmatrix}, \qquad \mathscr J=\begin{pmatrix}0&-I\\I&0\end{pmatrix},\\ \mathscr H^T=\mathscr H,\qquad \mathscr J^T=-\mathscr J,\qquad \mathscr J^2=-I,\\ \mathscr H\mathscr J =\begin{pmatrix}-C&-B\\-B&C\end{pmatrix} =-\mathscr J\mathscr H . \end{gathered} \tag{91.26}

实对称矩阵H\mathscr H可以用实正交本征向量分解。最后一个关系说明,若 Hw=dw\mathscr Hw=d\,w,则H(Jw)=dJw\mathscr H(\mathscr Jw)=-d\,\mathscr Jw; 每个非零本征值都有一个相反数。

对正本征值da>0d_a>0选实正交归一向量 wa=(xa,ya)Tw_a=(x_a,y_a)^T,并令ua=xa+iyau_a=x_a+iy_a。两个实块方程给

BxaCya=daxa,Cxa+Bya=daya,Aua=(BxaCya)+i(Cxa+Bya)=daua.(91.27)\begin{aligned} Bx_a-Cy_a&=d_ax_a,\\ Cx_a+By_a&=-d_ay_a,\\ Au_a&=(Bx_a-Cy_a)+i(Cx_a+By_a) =d_a u_a^* . \end{aligned} \tag{91.27}

复内积的实部来自waw_a的正交性,虚部则由反对易关系固定:

dawaTJwb=waTHJwb=dbwaTJwb,waTJwb=0,uaub=xaTxb+yaTyb+i(xaTybyaTxb)=waTwbiwaTJwb=δab.(91.28)\begin{aligned} d_a w_a^T\mathscr Jw_b &=w_a^T\mathscr H\mathscr Jw_b =-d_b w_a^T\mathscr Jw_b,\\ w_a^T\mathscr Jw_b&=0,\\ u_a^\dagger u_b &=x_a^Tx_b+y_a^Ty_b +i(x_a^Ty_b-y_a^Tx_b)\\ &=w_a^Tw_b-iw_a^T\mathscr Jw_b=\delta_{ab}. \end{aligned} \tag{91.28}

第二行用了da+db>0d_a+d_b>0,所以即使两个正本征值相等,论证仍成立。

零模则直接从kerA\ker A补入。Hw=0\mathscr Hw=0等价于 A(x+iy)=0A(x+iy)=0,因此若kerA\ker A的复维数为kkH\mathscr H的实核维数就是2k2k;余下的正负本征值共有nkn-k对。我们已经得到nkn-k个正质量列,再在kerA\ker A中用复Gram–Schmidt选kk个正交归一列zbz_b。它们与已有列的内积也为零:

0=zbTAua=dazbTua=dauazb.(91.29)0=z_b^TAu_a=d_a z_b^Tu_a^* =d_a u_a^\dagger z_b . \tag{91.29}

首个等号使用Azb=0Az_b=0AT=AA^T=A。把全部nn个列收集成NN,便有

NN=I,AN=ND,NTAN=NTND=D,D=diag(d1,,dnk,0,,0),AAua=daAua=da2ua.(91.30)\begin{gathered} N^\dagger N=I,\qquad AN=N^*D,\qquad N^TAN=N^TN^*D=D,\\ D=\operatorname{diag}(d_1,\ldots,d_{n-k},0,\ldots,0),\\ A^\dagger A u_a=d_a A^*u_a^*=d_a^2u_a . \end{gathered} \tag{91.30}

最后一行用A=AA^\dagger=A^*及式(91.27)的共轭式,说明dad_a正是AA的奇异值。这就完成了复对称质量矩阵的质量基构造。零奇异值对应无质量态,满秩矩阵的全部质量严格为正。

剩余的基选择也由同一组式子确定。令另一组质量列为N=NRN'=NR,要求它给同一排序的DD,则

RR=I,RTDR=D,DR=RD,D2R=RD2.(91.31)R^\dagger R=I,\qquad R^TDR=D,\qquad DR=R^*D,\qquad D^2R=RD^2 . \tag{91.31}

所以不同质量平方之间不能混合。在正的相同质量块上,DR=RDDR=R^*D要求RR为实数,剩余自由是实正交旋转;在零质量块上则仍可作幺正旋转。一个孤立的正质量场只剩±1\pm1两种符号。这个结果马上会影响轻子混合相位的计数。

质量基中的流与相位

现在将Takagi分解用于mνm_\nu,取NTmνN=dνN^Tm_\nu N=d_\nu,同时沿式(91.25)变换带电轻子。动能里的代矩阵分别为NNN^\dagger NEEE^\dagger EEˉEˉ\bar E^\dagger\bar E,所以它们都成为单位矩阵。质量基中的四分量场为 NI=(νI,νI)T\mathcal N_I=(\nu_I,\nu_I^\dagger)^TEI=(eI,eˉI)T\mathcal E_I=(e_I,\bar e_I^\dagger)^T;以下的流只使用相应的左投影。

原带电流连接双重态的两个分量,因此会留下两次换基的差:

J+μ=EˉLI(EN)IJγμNLJ=EˉLI(X)IJγμNLJ,Jμ=NˉLI(NE)IJγμELJ=NˉLIXIJγμELJ,X=NE,XX=XX=I.(91.32)\begin{aligned} J^{+\mu} &=\bar{\mathcal E}_{LI} (E^\dagger N)_{IJ}\gamma^\mu\mathcal N_{LJ} =\bar{\mathcal E}_{LI}(X^\dagger)_{IJ} \gamma^\mu\mathcal N_{LJ},\\ J^{-\mu} &=\bar{\mathcal N}_{LI} (N^\dagger E)_{IJ}\gamma^\mu\mathcal E_{LJ} =\bar{\mathcal N}_{LI}X_{IJ}\gamma^\mu\mathcal E_{LJ},\\ X&=N^\dagger E,\qquad X^\dagger X=XX^\dagger=I . \end{aligned} \tag{91.32}

两套质量基的差别完全保存在X=NEX=N^\dagger E中。XX的行对应中微子质量,列对应带电轻子质量。它与夸克的V=UDV=U^\dagger D承担相同的作用:两种质量基在带电流中未能同时对齐。

中性流则只含同一种场的两次换基。例如 νoldσˉμνold=νmNNσˉμνm\nu_{\rm old}^\dagger\bar\sigma^\mu\nu_{\rm old} =\nu_{\rm m}^\dagger N^\dagger N\bar\sigma^\mu\nu_{\rm m}, 故

J3μ=12I(NˉLIγμNLIEˉLIγμELI),JEMμ=IEˉIγμEI.(91.33)\begin{aligned} J_3^\mu &=\frac12\sum_I \left(\bar{\mathcal N}_{LI}\gamma^\mu\mathcal N_{LI} -\bar{\mathcal E}_{LI}\gamma^\mu\mathcal E_{LI}\right),\\ J_{\rm EM}^\mu&=-\sum_I\bar{\mathcal E}_I\gamma^\mu\mathcal E_I . \end{aligned} \tag{91.33}

这里的中性中微子流是左手流;马约拉纳场完整向量双线性为零,并不使这个左投影流消失。它的轴部分正保留了中微子的弱相互作用。

XX有多少独立参数?先取三个中微子质量非零、非简并的一般情形。正马约拉纳质量只允许各场再乘符号,而带电狄拉克质量仍允许连续的矢量相位:

EEDe,EˉEˉDe,NNDη,De=diag(eiαe,eiαμ,eiατ),Dη=diag(±1,±1,±1),XDηXDe.(91.34)\begin{gathered} E\longmapsto E D_e,\qquad \bar E\longmapsto\bar E D_e^*,\qquad N\longmapsto N D_\eta,\\ D_e=\operatorname{diag}(e^{i\alpha_e},e^{i\alpha_\mu},e^{i\alpha_\tau}), \qquad D_\eta=\operatorname{diag}(\pm1,\pm1,\pm1),\\ X\longmapsto D_\eta^\dagger X D_e . \end{gathered} \tag{91.34}

三个带电相位可以分别调整XX的三列。例如在第一行三元都非零的参数片中,取αα=argX1α\alpha_\alpha=-\arg X_{1\alpha}便使该行实正。第一列一般不能同时取实,因为正马约拉纳质量不再允许独立的连续行相位。

一个3×33\times3复矩阵有18个实参数,XX=IX^\dagger X=I给九个独立实条件,因此U(3)U(3)有九维。移去式(91.34)的三个连续相位后,还剩六个参数。借用第89节已经构造的三角一相位矩阵VV,可以将一般XX写成

X=DMV(θ1,θ2,θ3,δ),DM=diag(1,eiρ2,eiρ3).(91.35)X=D_M V(\theta_1,\theta_2,\theta_3,\delta), \qquad D_M=\operatorname{diag}(1,e^{i\rho_2},e^{i\rho_3}). \tag{91.35}

构造时先把一般幺正矩阵两侧的相位分出,再用带电相位去掉右侧对角阵;左侧共同相位也可移到右侧,故只留下两个相对相位。这六个参数就是三个角与三个相位。ρ2,ρ3\rho_2,\rho_3通常称为马约拉纳相位;它们不能由保持正质量的中微子场连续换相去掉。若有零质量态或简并质量块,应使用式(91.31)的更大剩余变换群,六参数的通常计数便不再直接适用。

从产生到探测:中微子振荡

弱流指定的是怎样产生和探测中微子,传播则由质量决定。为分清两组标签,以下用α,β=e,μ,τ\alpha,\beta=e,\mu,\tau标记带电轻子,用i,j=1,2,3i,j=1,2,3标记中微子质量。假设能量远大于三个质量,并且产生过程的能动量分辨率不能区分它们。由式(91.32)中的JJ^-,一个固定带电轻子α\alpha参与的产生过程便给

να=iXiανi,νβ=iXiβνi,νβνα=δαβ.(91.36)|\nu_\alpha\rangle =\sum_iX_{i\alpha}|\nu_i\rangle, \qquad \langle\nu_\beta| =\sum_iX_{i\beta}^*\langle\nu_i|, \qquad \langle\nu_\beta|\nu_\alpha\rangle=\delta_{\alpha\beta}. \tag{91.36}

探测系数的复共轭来自J+J^+。产生指定带电味时固定的是XX的第二个指标,第一指标遍历传播中的质量态。

每个质量分量都积累自己的传播相位。先以共同中心动量pp描述相干波包,沿传播方向记距离LL;去掉公共相位后,把第ii分量的传播因子记为eiϕie^{-i\phi_i}。于是

Ei=p2+mi2=p+mi22p+O(mi4/p3),eipLiEit=eip(Lt)exp[imi2t2p+O(mi4t/p3)],ϕiϕj=Δmij2L2E,Δmij2=mi2mj2.(91.37)\begin{aligned} E_i&=\sqrt{p^2+m_i^2} =p+\frac{m_i^2}{2p}+O(m_i^4/p^3),\\ e^{i pL-iE_it} &=e^{ip(L-t)} \exp\left[-i\frac{m_i^2t}{2p} +O(m_i^4t/p^3)\right],\\ \phi_i-\phi_j &=\frac{\Delta m_{ij}^2L}{2E}, \qquad \Delta m_{ij}^2=m_i^2-m_j^2 . \end{aligned} \tag{91.37}

最后一行取超相对论到达区tLt\simeq L,并以共同能量EpE\simeq p表示领头结果。所有分量在同一个探测事件比较,第一因子是无关的公共相位。若改用共同中心能量,则 pi=Emi2/(2E)+p_i=E-m_i^2/(2E)+\cdots,空间相位piLp_iL直接给出同一结果。

因此从α\alpha产生而由β\beta探测的幅为

Aαβ(L):=iXiβXiαeiϕiiXiβXiαeimi2L/(2E).(91.38)\begin{aligned} \mathcal A_{\alpha\to\beta}(L) &:=\sum_iX_{i\beta}^*X_{i\alpha}e^{-i\phi_i}\\ &\simeq\sum_iX_{i\beta}^*X_{i\alpha} e^{-im_i^2L/(2E)}. \end{aligned} \tag{91.38}

这个幅由产生系数、自由传播因子和探测系数相乘后求和得到,将不同质量分量的传播组成一个可计算的干涉问题。不同速度会逐渐把波包分开: vivjΔmij2/(2E2)|v_i-v_j|\simeq|\Delta m_{ij}^2|/(2E^2)。 只有当分离量LvivjL|v_i-v_j|远小于有效波包宽度σx\sigma_x时,上式的相干叠加才适用;产生和探测端也须维持刚才的不可分辨条件。相位差造成振荡,波包分离则最终使干涉消退。

为求概率,记 Qijαβ=XiβXiαXjβXjαQ_{ij}^{\alpha\beta} =X_{i\beta}^*X_{i\alpha}X_{j\beta}X_{j\alpha}^*。 将幅与共轭相乘,对每对i>ji>j合并,有

Pαβ=iXiβXiα2+2i>jRe[QijαβeiΔmij2L/(2E)]=δαβ4i>jReQijαβsin2Δmij2L4E+2i>jImQijαβsinΔmij2L2E.(91.39)\begin{aligned} P_{\alpha\to\beta} &=\sum_i|X_{i\beta}^*X_{i\alpha}|^2 +2\sum_{i>j}\operatorname{Re} \left[Q_{ij}^{\alpha\beta}e^{-i\Delta m_{ij}^2L/(2E)}\right]\\ &=\delta_{\alpha\beta} -4\sum_{i>j}\operatorname{Re}Q_{ij}^{\alpha\beta} \sin^2\frac{\Delta m_{ij}^2L}{4E}\\ &\quad+2\sum_{i>j}\operatorname{Im}Q_{ij}^{\alpha\beta} \sin\frac{\Delta m_{ij}^2L}{2E}. \end{aligned} \tag{91.39}

第二步用了Re(Qeix)=(ReQ)cosx+(ImQ)sinx\operatorname{Re}(Qe^{-ix})=(\operatorname{Re}Q)\cos x+ (\operatorname{Im}Q)\sin xcosx=12sin2(x/2)\cos x=1-2\sin^2(x/2)。 所有不含传播相位的项合成 iXiβXiα2=δαβ|\sum_iX_{i\beta}^*X_{i\alpha}|^2=\delta_{\alpha\beta}。 这也检查了L=0L=0的极限。再对β\beta求和,幺正性给 βXiβXjβ=δij\sum_\beta X_{i\beta}^*X_{j\beta}=\delta_{ij}, 所以总概率为iXiα2=1\sum_i|X_{i\alpha}|^2=1

作为补充,取只有两味混合的实矩阵 X=(cssc)X=\left(\begin{smallmatrix}c&s\\-s&c\end{smallmatrix}\right)。 对eμe\to\mu

Aeμ=sc(eim12L/(2E)eim22L/(2E)),Peμ=4s2c2sin2(m22m12)L4E=sin22θsin2Δm212L4E.(91.40)\begin{aligned} \mathcal A_{e\to\mu} &=sc\left(e^{-im_1^2L/(2E)} -e^{-im_2^2L/(2E)}\right),\\ P_{e\to\mu} &=4s^2c^2\sin^2\frac{(m_2^2-m_1^2)L}{4E} =\sin^22\theta\, \sin^2\frac{\Delta m_{21}^2L}{4E}. \end{aligned} \tag{91.40}

没有混合或没有质量平方差时,转换概率都为零。反过来,观测到这种振荡就排除了所有质量平方相等的情形,却允许其中一个质量为零。所以振荡本身不能证明三个质量都严格非零;绝对质量还需其他观测量确定。要进一步探测不同的带电轻子,过程还须有足够能量产生它的质量。

最后看三个相位怎样进入这些结果。式(91.38)中,每一行的两个XX互为共轭,故DMD_M的相位逐项相消,普通味振荡只保留VV中的相位组合。马约拉纳相位仍存在于质量作用量;把它写回带电轻子质量基,得到

mν()=ETmνE=ETNdνNE=XTdνX.(91.41)m_\nu^{(\ell)} =E^Tm_\nu E =E^TN^*d_\nu N^\dagger E =X^Td_\nu X . \tag{91.41}

这里的两因子是XiαXiβX_{i\alpha}X_{i\beta},没有复共轭相消。这使违反轻子数的过程能够依赖马约拉纳相位。下面从质量作用量本身求出轻子数的变化。

质量项如何改变轻子数

先给各基本场指定通常轻子数:

L()=+1,L(eˉ)=L(νˉ)=1,L(φ)=0,L(q)=L(uˉ)=L(dˉ)=0.(91.42)L(\ell)=+1,\qquad L(\bar e)=L(\bar\nu)=-1,\qquad L(\varphi)=0,\qquad L(q)=L(\bar u)=L(\bar d)=0. \tag{91.42}

eeeˉ\bar e^\dagger由此都具有+1+1,正好组成带轻子数的狄拉克电子;ν\nuνˉ\bar\nu^\dagger也可作相同组合。两个汤川单态的总荷分别为 L(φeˉ)=0+11=0L(\varphi\ell\bar e)=0+1-1=0L(φνˉ)=0+11=0L(\varphi^\dagger\ell\bar\nu)=0+1-1=0。 动能及规范相互作用含一个场与其共轭,故也保持这个连续U(1)U(1)

马约拉纳项的两个场却都带1-1。写nA=νˉAn_A=\bar\nu_A,在 nAeiαnAn_A\to e^{-i\alpha}n_A下,

LM=12MABnAnB12MABnBnA,δαLM=iαMABnAnBiαMABnBnA.(91.43)\begin{aligned} \mathcal L_M &=-\frac12M_{AB}n_An_B -\frac12M_{AB}^*n_B^\dagger n_A^\dagger,\\ \delta_\alpha\mathcal L_M &=i\alpha M_{AB}n_An_B -i\alpha M_{AB}^*n_B^\dagger n_A^\dagger . \end{aligned} \tag{91.43}

两个项的相位变化分别为e2iαe^{-2i\alpha}e+2iαe^{+2i\alpha},微分时产生的2抵消原来的1/21/2。一般非零MM使这个变分非零,所以通常连续轻子数已经被质量项显式破坏;相应顶角改变两个单位的轻子数。

这一破缺在低能中同样存在。ηI=φiiI\eta_I=\varphi^{\dagger i}\ell_{iI}+1+1,而式(91.20)

Leff(5)=12KIJηIηJ+12KIJηJηI,δαLeff(5)=iαKIJηIηJiαKIJηJηI.(91.44)\begin{aligned} \mathcal L_{\rm eff}^{(5)} &=\frac12K_{IJ}\eta_I\eta_J +\frac12K_{IJ}^*\eta_J^\dagger\eta_I^\dagger,\\ \delta_\alpha\mathcal L_{\rm eff}^{(5)} &=i\alpha K_{IJ}\eta_I\eta_J -i\alpha K_{IJ}^*\eta_J^\dagger\eta_I^\dagger . \end{aligned} \tag{91.44}

因此只要有效马约拉纳质量非零,所有活跃轻子同时作通常相位旋转就不再是对称性。这与积分重场前的结论相同。M=0M=0的纯狄拉克模型保留上述经典轻子数;特殊的质量矩阵还可能保留某些味荷,由相应的场变换另行确定。

这里的ΔL=2\Delta L=2是质量项的显式破缺。电弱量子反常也会影响全局轻子数,其计算使用第75–77节的流与规范场三角图。


← 第 90 节 · 章节地图 · 第 92 节 →

文章标题:Srednicki §91 中微子质量

文章作者:Whitney

文章链接:https://phymani.me/posts/srednicki-91[复制]

最后修改时间:


商业转载请联系站长获得授权,非商业转载请注明本文出处及文章链接,您可以自由地在任何媒体以任何形式复制和分发作品,也可以修改和创作,但是分发衍生作品时必须采用相同的许可协议。
本文采用CC BY-NC-SA 4.0进行许可。