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的横线是场名的一部分;它与ν†分别属于不同的洛伦兹表示。
从零质量预言到两种质量项
回顾一代轻子和夸克表示:全左Weyl 场依次为
qαi∼(3,2,1/6)、
uˉα∼(3,1,−2/3)、
dˉα∼(3,1,1/3)、
ℓi∼(1,2,−1/2)和
eˉ∼(1,1,1)。
Higgs场φi属于(1,2,−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=−yϵijφiℓjeˉ−y′ϵijφiqαjdˉα−y′′φ†iqαiuˉα+h.c.(91.1)
取φ=(v+H,0)T/2,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,u质量。中微子ν=ℓ1没有相配的中性单态,而ℓℓ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)。它的规范连接为零,动能就是
iνˉ†σˉμ∂μνˉ。另一方面,
φ†iℓi的超荷为1/2−1/2=0,弱指标也已缩并,所以可以加入
LνYuk=−yφ†iℓiνˉ+h.c.(91.2)
两个左场的旋量指标按第35节缩并。φ†ℓνˉ的量纲为
1+3/2+3/2=4,因此y仍是无量纲耦合。幺正规范给
LνYukm=−2v+H(yννˉ+y∗νˉ†ν†),=2yv.(91.3)
ν与νˉ†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相乘也构成规范单态。因此质量项
LM=−21Mνˉνˉ−21M∗νˉ†νˉ†(91.4)
不需要Higgs场,M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,
χψψψ=χaψa=−ψaχa=ψaχa=ψχ,=ψ2ψ1−ψ1ψ2=−2ψ1ψ2.(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1/2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ℓ,eˉ,νˉ分别等于新场乘
eiα,eiγ,eiβ,三个系数的相位变成
argyargyargM⟼argy+α+γ,⟼argy+α+β,⟼argM+2β.(91.6)
当三个参数均非零时,先选β=−argM/2,再选α=−argy−β,最后选γ=−argy−α,便使M>0、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=0,并暂记n=νˉ、d=m≥0。两种质量项合为
Lmass=−21(νn)M(νn)+h.c.,M=(0ddM).(91.7)
矩阵的两个非对角项给dνn+dnν=2dνn,所以正确恢复原狄拉克项。求带符号的本征值时,
det(M−λI)λ±=(−λ)(M−λ)−d2=λ2−Mλ−d2,=2M±M2+4d2.(91.8)
d>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=(c−ssc),c=cosθ,s=sinθ,(OTMO)12=d(c2−s2)−Mcs=0,tan2θ=M2d,OTMO=diag(−2dcs+Ms2,2dcs+Mc2)=diag(λ−,λ+).(91.9)
选0≤θ<π/4便使第一列接近原来的ν方向。负根可以用Weyl 场的相位吸收:令第一列再乘i,则
N2=Odiag(i,1)=(ic−issc),(νn)=N2(χlχh),N2TMN2=diag(ml,mh),ml=2M2+4d2−M,mh=2M2+4d2+M.(91.10)
动能中的相位乘积为i∗i=1,质量项中却是i2=−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和χ†构成,所以相应相位是i与−i。
当d/M≪1时,展开平方根
1+4d2/M2=1+2d2/M2−2d4/M4+⋯,得到
mlmhmlmhtanθ=Md2−M3d4+O(d6/M5),=M+Md2−M3d4+O(d6/M5),=d2,mh−ml=M,=mhd=Md+O(d3/M3).(91.11)
质量乘积由行列式的绝对值固定;增大M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/mh,所以轻粒子主要通过ν参与弱作用,重粒子与弱流的混合只有d/M阶。有号本征值的领头结果分别为M和−d2/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=0.511 MeV,并令d=me、M=103 GeV,单位换算为
Md2=103 GeV(0.511×10−3 GeV)2=2.61121×10−10 GeV=0.261121 eV.(91.12)
因此在这个输入下,103 GeV量级的重尺度已经可以给出亚eV轻质量。不同的d对应不同的重尺度。若d=0,轻场为零模;若M=0而d>0,两种马约拉纳质量都等于d,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M的单态,只需要保留它对轻场的作用。令
η=φ†iℓi,这是一个量纲5/2的左旋量。先不写厄米共轭,相关密度为
−21Mnn−yηn。
沿第36节的左变分,
δnLncl=−yηδn−21M(δnn+nδn)=−δn(yη+Mn),=−Myη.(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M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+y2ηη/M,重质量项给
−y2ηη/(2M),相加留下正的一半。完成平方可以同时看清这两个系数:
−21Mnn−yηn=−21M(n+Myη)(n+Myη)+2My2ηη.(91.14)
两个交叉项相等,合为原来的−yηn。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)=2My2(φ†iℓi)(φ†jℓj)+h.c.(91.15)
算符量纲为5,其系数量纲为−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。
将η=(v+H)ν/2代入,
Leff(5)mν=4My2(v+H)2(νν+ν†ν†)=−21mν(νν+ν†ν†)(1+H/v)2,=−2My2v2=−Md2.(91.16)
这与精确的λ−展开相同。再作ν=iχl的领头场换元,即可得到正物理质量ml=d2/M;H和H2的耦合则由同一个(v+H)2同时固定。
三代重场的消元次序
现在把ℓ,eˉ,νˉ各取三代。为使矩阵的两个空间清楚,活跃轻子用I,J=1,2,3,规范单态用A,B=1,2,3,并记
YIA=yIA、nA=νˉA。一般质量及汤川作用量为
LYuk+mass=−ϵijφiℓjIyIJeˉJ−φ†iℓiIYIAnA−21MABnAnB+h.c.,MT=M.(91.17)
y,Y是一般复矩阵。M的对称性来自nAnB=nBnA,与它是否为实矩阵无关。幺正规范给
LYuk+mass=−2v+HeIyIJeˉJ−2v+HνIYIAnA−21MABnAnB+h.c.,mD=2vY.(91.18)
全六场质量矩阵的四个块为
(0mDTmDM)。
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。
令ηI=φ†iℓiI。关于nA作左变分,
δnLholMABnBnA=−δnA(YIAηI+MABnB),=−YIAηI,=−(M−1)ABYIBηI,n=−M−1YTη.(91.19)
出现的是YT,因为运动方程的自由指标属于重场。关于n†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ηTYM−1YTη。因此
Leff(5)KIJmν=21ηTKη+h.c.,=YIA(M−1)ABYJB,K=YM−1YT=KT,=−2v2K=−mDM−1mDT.(91.20)
每个η仍带一个旋量指标,ηTKη只省去代求和,不改变旋量缩并的次序。(M−1)T=M−1保证K对称。也可以沿一代完成平方的办法,将n平移为n+M−1YTη;两个交叉项合为−ηTYn,留下的常数正是本式的+21ηTKη。
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=(0ba0),M=diag(M1,M2),YM−1YT=diag(a2/M2,b2/M1),YTM−1Y=diag(b2/M2,a2/M1).(91.21)
第一种结果中,轻场1只接重场2,所以分母为M2、耦合为a2,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′、旧n=Vn′,则
Y′(M′)−1Y′(M′)−1(Y′)T=LTYV,M′=VTMV,=V†M−1V∗,=LTYVV†M−1V∗VTYTL=LT(YM−1YT)L.(91.22)
重代矩阵由VV†=V∗VT=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mν一般为复数,低能质量作用量应写成
Leff⊃−2v+HeIyIJeˉJ+h.c.−21(1+H/v)2[(mν)IJνIνJ+(mν)IJ∗νJ†νI†].(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,I换回I,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M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)远大于外部尺度,并有
∥mD∥/σmin(M)≪1,这里取矩阵谱范数。若M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=M−1YT,将n=−Aη代入重场动能,得到
ΔL(6)R=iη†A†Aσˉμ∂μη,=M−1mDT,δZ=R†R,z†δZz=∥Rz∥2≥0.(91.24)
η是规范单态,所以这里对整个η作普通导数。Higgs取真空后,第一行给轻动能的相对∥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=UedeVe†,其中de为非负实对角阵,则取
eold=Eem,eˉold=Eˉeˉm,E=Ue∗,Eˉ=Ve,ETyEˉ=de,meI=(de)I2v.(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、NTmνN=dν。
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=AT表示任意n×n复对称矩阵,写成
A=B+iC,其中B,C均为实对称矩阵。引入
H=(B−C−C−B),J=(0I−I0),HT=H,JT=−J,J2=−I,HJ=(−C−B−BC)=−JH.(91.26)
实对称矩阵H可以用实正交本征向量分解。最后一个关系说明,若
Hw=dw,则H(Jw)=−dJw;
每个非零本征值都有一个相反数。
对正本征值da>0选实正交归一向量
wa=(xa,ya)T,并令ua=xa+iya。两个实块方程给
Bxa−CyaCxa+ByaAua=daxa,=−daya,=(Bxa−Cya)+i(Cxa+Bya)=daua∗.(91.27)
复内积的实部来自wa的正交性,虚部则由反对易关系固定:
dawaTJwbwaTJwbua†ub=waTHJwb=−dbwaTJwb,=0,=xaTxb+yaTyb+i(xaTyb−yaTxb)=waTwb−iwaTJwb=δab.(91.28)
第二行用了da+db>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补入。Hw=0等价于
A(x+iy)=0,因此若kerA的复维数为k,H的实核维数就是2k;余下的正负本征值共有n−k对。我们已经得到n−k个正质量列,再在kerA中用复Gram–Schmidt选k个正交归一列zb。它们与已有列的内积也为零:
0=zbTAua=dazbTua∗=daua†zb.(91.29)
首个等号使用Azb=0和AT=A。把全部n个列收集成N,便有
N†N=I,AN=N∗D,NTAN=NTN∗D=D,D=diag(d1,…,dn−k,0,…,0),A†Aua=daA∗ua∗=da2ua.(91.30)
最后一行用A†=A∗及式(91.27)的共轭式,说明da正是A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′=NR,要求它给同一排序的D,则
R†R=I,RTDR=D,DR=R∗D,D2R=RD2.(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=R∗D要求R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mν,取NTmνN=dν,同时沿式(91.25)变换带电轻子。动能里的代矩阵分别为N†N、E†E和Eˉ†Eˉ,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和
EI=(eI,eˉI†)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+μJ−μX=EˉLI(E†N)IJγμNLJ=EˉLI(X†)IJγμNLJ,=NˉLI(N†E)IJγμELJ=NˉLIXIJγμELJ,=N†E,X†X=XX†=I.(91.32)
两套质量基的差别完全保存在X=N†E中。X的行对应中微子质量,列对应带电轻子质量。它与夸克的V=U†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
νold†σˉμνold=νm†N†Nσˉμνm,
故
J3μJEMμ=21I∑(NˉLIγμNLI−EˉLIγμELI),=−I∑EˉIγμEI.(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。
X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:
E⟼EDe,Eˉ⟼EˉDe∗,N⟼NDη,De=diag(eiαe,eiαμ,eiατ),Dη=diag(±1,±1,±1),X⟼Dη†XDe.(91.34)
三个带电相位可以分别调整X的三列。例如在第一行三元都非零的参数片中,取αα=−argX1α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3×3复矩阵有18个实参数,X†X=I给九个独立实条件,因此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V,可以将一般X写成
X=DMV(θ1,θ2,θ3,δ),DM=diag(1,eiρ2,eiρ3).(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标记带电轻子,用i,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J−,一个固定带电轻子α参与的产生过程便给
∣να⟩=i∑Xiα∣νi⟩,⟨νβ∣=i∑Xiβ∗⟨νi∣,⟨νβ∣να⟩=δαβ.(91.36)
探测系数的复共轭来自J+。产生指定带电味时固定的是X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p描述相干波包,沿传播方向记距离L;去掉公共相位后,把第i分量的传播因子记为e−iϕi。于是
EieipL−iEitϕi−ϕj=p2+mi2=p+2pmi2+O(mi4/p3),=eip(L−t)exp[−i2pmi2t+O(mi4t/p3)],=2EΔmij2L,Δmij2=mi2−mj2.(91.37)
最后一行取超相对论到达区t≃L,并以共同能量E≃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=E−mi2/(2E)+⋯,空间相位piL直接给出同一结果。
因此从α产生而由β探测的幅为
Aα→β(L):=i∑Xiβ∗Xiαe−iϕi≃i∑Xiβ∗Xiαe−imi2L/(2E).(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:
∣vi−vj∣≃∣Δmij2∣/(2E2)。
只有当分离量L∣vi−vj∣远小于有效波包宽度σx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=Xiβ∗XiαXjβXjα∗。
将幅与共轭相乘,对每对i>j合并,有
Pα→β=i∑∣Xiβ∗Xiα∣2+2i>j∑Re[Qijαβe−iΔmij2L/(2E)]=δαβ−4i>j∑ReQijαβsin24EΔmij2L+2i>j∑ImQijαβsin2EΔmij2L.(91.39)
第二步用了Re(Qe−ix)=(ReQ)cosx+(ImQ)sinx与cosx=1−2sin2(x/2)。
所有不含传播相位的项合成
∣∑iXiβ∗Xiα∣2=δαβ。
这也检查了L=0的极限。再对β求和,幺正性给
∑βXiβ∗Xjβ=δij,
所以总概率为∑i∣Xiα∣2=1。
作为补充,取只有两味混合的实矩阵
X=(c−ssc)。
对e→μ,
Ae→μPe→μ=sc(e−im12L/(2E)−e−im22L/(2E)),=4s2c2sin24E(m22−m12)L=sin22θsin24EΔm212L.(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X互为共轭,故DM的相位逐项相消,普通味振荡只保留V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(ℓ)=ETmνE=ETN∗dνN†E=XTdνX.(91.41)
这里的两因子是XiαXiβ,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(ℓ)=+1,L(eˉ)=L(νˉ)=−1,L(φ)=0,L(q)=L(uˉ)=L(dˉ)=0.(91.42)
e和eˉ†由此都具有+1,正好组成带轻子数的狄拉克电子;ν和νˉ†也可作相同组合。两个汤川单态的总荷分别为
L(φℓeˉ)=0+1−1=0和
L(φ†ℓνˉ)=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)。
马约拉纳项的两个场却都带−1。写nA=νˉA,在
nA→e−iαnA下,
LMδαLM=−21MABnAnB−21MAB∗nB†nA†,=iαMABnAnB−iαMAB∗nB†nA†.(91.43)
两个项的相位变化分别为e−2iα和e+2iα,微分时产生的2抵消原来的1/2。一般非零M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=φ†iℓiI带+1,而式(91.20)给
Leff(5)δαLeff(5)=21KIJηIηJ+21KIJ∗ηJ†ηI†,=iαKIJηIηJ−iαKIJ∗ηJ†ηI†.(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=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。
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