4.1

Problem 4.1

schwarzChapter 4

习题 4.1

来源: 第4章, PDF第55,56页


4.1 Calculate the transition matrix element TijT_{ij} for the process e+e−→γ→μ+μ−e^+e^- \rightarrow \gamma \rightarrow \mu^+\mu^-. (a) Write down the 1Ei−E0\frac{1}{E_i - E_0} terms for the two possible intermediate states, from the two possible time slicings. (b) Show that they add up to 2Eγk2\frac{2E_\gamma}{k^2}, where kμk_\mu is now the 4-momentum of the virtual off-shell photon.

习题 4.1 - 解答


在旧正则微扰论(老式微扰论,Time-Ordered Perturbation Theory, TOPT)的框架下,处理 e+e−→γ→μ+μ−e^+e^- \rightarrow \gamma \rightarrow \mu^+\mu^- 散射过程时,中间态粒子(光子)被视为处于质量壳上(on-shell),即其能量与动量满足 Eγ=∣k⃗∣E_\gamma = |\vec{k}|(取自然单位制 c=1c=1)。但由于能量在相互作用顶点处不守恒,系统需要对所有可能的时间排序(time slicings)进行求和,以恢复洛伦兹协变性。

设初态 ∣i⟩|i\rangle 为 e+e−e^+e^-,总能量为 Ei=Ee++Ee−E_i = E_{e^+} + E_{e^-}。 设末态 ∣f⟩|f\rangle 为 μ+μ−\mu^+\mu^-,总能量为 Ef=Eμ++Eμ−E_f = E_{\mu^+} + E_{\mu^-}。 由整个过程的能量守恒可知 Ei=EfE_i = E_f。 中间态光子的三维动量由动量守恒决定:k⃗=p⃗e++p⃗e−\vec{k} = \vec{p}_{e^+} + \vec{p}_{e^-},其在壳能量为 Eγ=∣k⃗∣E_\gamma = |\vec{k}|。

(a) 两种时间排序下的能量分母项

在 TOPT 中,跃迁矩阵元包含形如 1Ei−E0\frac{1}{E_i - E_0} 的传播子因子,其中 E0E_0 是中间态的总能量。对于 s-道 过程,存在两种可能的时间排序:

  1. 时间排序 1(正向时间过程): 初态 e+e−e^+e^- 在时间 t1t_1 湮灭并产生一个光子 γ\gamma,随后该光子在时间 t2t_2 (t2>t1t_2 > t_1) 衰变为 μ+μ−\mu^+\mu^-。 此时中间态仅包含一个光子,中间态总能量 E0=EγE_0 = E_\gamma。 对应的能量分母项为: 1Ei−Eγ\frac{1}{E_i - E_\gamma}

  2. 时间排序 2(逆向时间过程 / 真空涨落): 在时间 t1t_1,真空自发产生末态粒子 μ+μ−\mu^+\mu^- 以及一个光子 γ\gamma。随后在时间 t2t_2 (t2>t1t_2 > t_1),初态粒子 e+e−e^+e^- 与该光子 γ\gamma 共同湮灭为真空。 此时中间态同时包含初态粒子、末态粒子和光子,即 ∣e+,e−,μ+,μ−,γ⟩|e^+, e^-, \mu^+, \mu^-, \gamma\rangle。 中间态总能量 E0=Ei+Ef+EγE_0 = E_i + E_f + E_\gamma。代入 Ef=EiE_f = E_i,得到 E0=2Ei+EγE_0 = 2E_i + E_\gamma。 对应的能量分母项为: 1Ei−(2Ei+Eγ)=1−Ei−Eγ\frac{1}{E_i - (2E_i + E_\gamma)} = \frac{1}{-E_i - E_\gamma}

(b) 证明两项之和为 2Eγk2\frac{2E_\gamma}{k^2}

将 (a) 中得到的两个时间排序的能量分母项相加: ∑1Ei−E0=1Ei−Eγ+1−Ei−Eγ\sum \frac{1}{E_i - E_0} = \frac{1}{E_i - E_\gamma} + \frac{1}{-E_i - E_\gamma}

提取负号并通分化简: 1Ei−Eγ−1Ei+Eγ=(Ei+Eγ)−(Ei−Eγ)(Ei−Eγ)(Ei+Eγ)=2EγEi2−Eγ2\frac{1}{E_i - E_\gamma} - \frac{1}{E_i + E_\gamma} = \frac{(E_i + E_\gamma) - (E_i - E_\gamma)}{(E_i - E_\gamma)(E_i + E_\gamma)} = \frac{2E_\gamma}{E_i^2 - E_\gamma^2}

现在引入虚光子(virtual off-shell photon)的四维动量 kμk_\mu。在协变微扰论(如费曼图规则)中,虚光子的四维动量由外线粒子的四维动量守恒完全决定: kμ=(Ei,k⃗)k_\mu = (E_i, \vec{k}) 其四维动量平方(不变质量的平方)为: k2=Ei2−∣k⃗∣2k^2 = E_i^2 - |\vec{k}|^2

由于在 TOPT 中定义的 EγE_\gamma 是光子的在壳能量,满足 Eγ=∣k⃗∣E_\gamma = |\vec{k}|,因此我们可以将 k2k^2 写为: k2=Ei2−Eγ2k^2 = E_i^2 - E_\gamma^2

将此关系代入前面求和得到的结果分母中,即得: 2EγEi2−Eγ2=2Eγk2\frac{2E_\gamma}{E_i^2 - E_\gamma^2} = \frac{2E_\gamma}{k^2}

这表明,非协变的 TOPT 中对所有时间排序的求和,自然地重构出了协变费曼规则中虚粒子传播子的分母 k2k^2(相差一个与矩阵元分子约定相关的运动学因子 2Eγ2E_\gamma)。

最终结果为: 1Ei−Eγ+1−Ei−Eγ=2Eγk2\boxed{\frac{1}{E_i - E_\gamma} + \frac{1}{-E_i - E_\gamma} = \frac{2E_\gamma}{k^2}}