32.1

Problem 32.1

schwarzChapter 32

习题 32.1

来源: 第32章, PDF第698页


32.1 Derive an expression for the mean charge radius r2=d3xr2ρ(x)\langle r^2 \rangle = \int d^3x \, r^2 \rho(x) in terms of a form factor F(q2)F(q^2) by expanding F(q2)=d3xeiqxV(x)F(q^2) = \int d^3x \, e^{i \vec{q} \cdot \vec{x}} V(x) around x=0x = 0. What is the mean charge radius of the proton from Eq. (32.9)?

Referenced Equations:

Equation (32.9):

F1(q2)1(1q20.71 GeV2)2.(32.9)F_1(q^2) \sim \frac{1}{\left( 1 - \frac{q^2}{0.71 \text{ GeV}^2} \right)^2}. \tag{32.9}

习题 32.1 - 解答


1. 形状因子与均方电荷半径关系的推导

根据题意,形状因子定义为电荷密度 ρ(x)\rho(\vec{x}) 的傅里叶变换(注:题目中的 V(x)V(x)ρ(x)\rho(\vec{x}) 的笔误,物理上形状因子是电荷分布的变换):

F(q2)=d3xeiqxρ(x)F(q^2) = \int d^3x \, e^{i \vec{q} \cdot \vec{x}} \rho(\vec{x})

为了寻找形状因子与均方电荷半径 r2\langle r^2 \rangle 的关系,我们在 q0|\vec{q}| \to 0 附近对指数项进行泰勒展开:

eiqx=1+iqx12(qx)2+O(q3)e^{i \vec{q} \cdot \vec{x}} = 1 + i \vec{q} \cdot \vec{x} - \frac{1}{2} (\vec{q} \cdot \vec{x})^2 + \mathcal{O}(|\vec{q}|^3)

将其代入积分中,逐项进行分析:

F(q2)=d3xρ(x)+id3x(qx)ρ(x)12d3x(qx)2ρ(x)+F(q^2) = \int d^3x \, \rho(\vec{x}) + i \int d^3x \, (\vec{q} \cdot \vec{x}) \rho(\vec{x}) - \frac{1}{2} \int d^3x \, (\vec{q} \cdot \vec{x})^2 \rho(\vec{x}) + \dots

物理对称性与近似分析:

  1. 归一化条件:假设质子总电荷已归一化,即零动量转移时 F(0)=1F(0) = 1,因此第一项 d3xρ(x)=1\int d^3x \, \rho(\vec{x}) = 1
  2. 球对称性:假设质子内部电荷分布是球对称的,即 ρ(x)=ρ(r)\rho(\vec{x}) = \rho(r)。由于被积函数是奇函数,第二项偶极矩积分为零:d3xxρ(r)=0\int d^3x \, \vec{x} \rho(r) = 0
  3. 二阶张量积分:对于第三项,利用球对称性,空间坐标的二次方平均满足 xixj=13δijr2\langle x_i x_j \rangle = \frac{1}{3} \delta_{ij} \langle r^2 \rangle。因此:
    d3x(qx)2ρ(x)=i,jqiqjd3xxixjρ(x)=13q2d3xr2ρ(x)=13q2r2\int d^3x \, (\vec{q} \cdot \vec{x})^2 \rho(\vec{x}) = \sum_{i,j} q_i q_j \int d^3x \, x_i x_j \rho(\vec{x}) = \frac{1}{3} \vec{q}^2 \int d^3x \, r^2 \rho(\vec{x}) = \frac{1}{3} \vec{q}^2 \langle r^2 \rangle

将上述结果代回展开式,得到形状因子在三维动量平方 q2\vec{q}^2 较小处的表达式:

F(q2)116q2r2F(\vec{q}^2) \approx 1 - \frac{1}{6} \vec{q}^2 \langle r^2 \rangle

在相对论散射的 Breit 参考系(能量转移 q0=0q_0 = 0)中,采用粒子物理标准的 (+,,,)(+,-,-,-) 度规,四维动量转移平方 q2q^2 与三维动量平方的关系为 q2=q2q^2 = -\vec{q}^2。代入上式得:

F(q2)1+16q2r2F(q^2) \approx 1 + \frac{1}{6} q^2 \langle r^2 \rangle

q2q^2 求导并取 q2=0q^2 = 0 的极限,即可得到均方电荷半径的表达式:

dF(q2)dq2q2=0=16r2\left. \frac{dF(q^2)}{dq^2} \right|_{q^2=0} = \frac{1}{6} \langle r^2 \rangle
r2=6dF(q2)dq2q2=0\boxed{ \langle r^2 \rangle = 6 \left. \frac{dF(q^2)}{dq^2} \right|_{q^2=0} }

2. 计算质子的均方电荷半径

根据题目给定的偶极形状因子经验公式 Eq. (32.9):

F1(q2)=1(1q2M2)2F_1(q^2) = \frac{1}{\left( 1 - \frac{q^2}{M^2} \right)^2}

其中参数 M2=0.71 GeV2M^2 = 0.71 \text{ GeV}^2

首先对 F1(q2)F_1(q^2) 关于 q2q^2 求一阶导数:

dF1(q2)dq2=2(1q2M2)3(1M2)=2M2(1q2M2)3\frac{dF_1(q^2)}{dq^2} = -2 \left( 1 - \frac{q^2}{M^2} \right)^{-3} \cdot \left( -\frac{1}{M^2} \right) = \frac{2}{M^2} \left( 1 - \frac{q^2}{M^2} \right)^{-3}

q2=0q^2 = 0 处取值:

dF1(q2)dq2q2=0=2M2\left. \frac{dF_1(q^2)}{dq^2} \right|_{q^2=0} = \frac{2}{M^2}

利用第一部分推导出的关系式,计算均方电荷半径 r2\langle r^2 \rangle

r2=6×2M2=12M2\langle r^2 \rangle = 6 \times \frac{2}{M^2} = \frac{12}{M^2}

代入 M2=0.71 GeV2M^2 = 0.71 \text{ GeV}^2

r2=120.71 GeV216.901 GeV2\langle r^2 \rangle = \frac{12}{0.71 \text{ GeV}^2} \approx 16.901 \text{ GeV}^{-2}

单位换算: 为了将结果转换为标准的长度单位飞米(fm\text{fm}),引入自然单位制下的转换常数 c0.1973 GeVfm\hbar c \approx 0.1973 \text{ GeV} \cdot \text{fm}

r2=16.901 GeV2×(0.1973 GeVfm)216.901×0.03893 fm20.658 fm2\langle r^2 \rangle = 16.901 \text{ GeV}^{-2} \times (0.1973 \text{ GeV} \cdot \text{fm})^2 \approx 16.901 \times 0.03893 \text{ fm}^2 \approx 0.658 \text{ fm}^2

质子的均方根(RMS)电荷半径 rpr_p 为:

rp=r2=0.658 fm20.811 fmr_p = \sqrt{\langle r^2 \rangle} = \sqrt{0.658 \text{ fm}^2} \approx 0.811 \text{ fm}

最终结果为:

r2=120.71 GeV20.658 fm2(RMS radius rp0.81 fm)\boxed{ \langle r^2 \rangle = \frac{12}{0.71} \text{ GeV}^{-2} \approx 0.658 \text{ fm}^2 \quad \text{(RMS radius } r_p \approx 0.81 \text{ fm)} }
32.10

Problem 32.10

schwarzChapter 32

习题 32.10

来源: 第32章, PDF第699页


32.10 Show that pT2=s^t^u^(s^+Q2)2p_T^2 = \frac{\hat{s}\hat{t}\hat{u}}{(\hat{s}+Q^2)^2} and verify Eq. (32.58).

Referenced Equations:

Equation (32.58):

dσ^(γqqg)dpT2=σ^01pT2[αs2πCF1+z21z+O(pT2Q2)],(32.58)\frac{d\hat{\sigma}(\gamma^* q \rightarrow qg)}{dp_T^2} = \hat{\sigma}_0 \frac{1}{p_T^2} \left[ \frac{\alpha_s}{2\pi} C_F \frac{1+z^2}{1-z} + \mathcal{O}\left(\frac{p_T^2}{Q^2}\right) \right], \tag{32.58}

习题 32.10 - 解答


1. 证明 pT2=s^t^u^(s^+Q2)2p_T^2 = \frac{\hat{s}\hat{t}\hat{u}}{(\hat{s}+Q^2)^2}

在部分子水平的深度非弹性散射(DIS)过程 γ(q)+q(p)q(p1)+g(p2)\gamma^*(q) + q(p) \rightarrow q(p_1) + g(p_2) 中,定义 Mandelstam 变量: s^=(p+q)2,t^=(pp2)2,u^=(pp1)2\hat{s} = (p+q)^2, \quad \hat{t} = (p-p_2)^2, \quad \hat{u} = (p-p_1)^2 其中入射夸克和出射部分子均视为无质量,即 p2=p12=p22=0p^2 = p_1^2 = p_2^2 = 0,虚光子动量平方为 q2=Q2q^2 = -Q^2

我们在 γq\gamma^* q 的质心系中进行计算。设总能量为 s^\sqrt{\hat{s}},入射夸克和虚光子沿 zz 轴运动: p=(E,0,0,E),q=(s^E,0,0,E)p = (E, 0, 0, E), \quad q = (\sqrt{\hat{s}}-E, 0, 0, -E) 利用虚光子的质量条件 q2=Q2q^2 = -Q^2 可以求解 EEq2=(s^E)2E2=s^2Es^=Q2    E=s^+Q22s^q^2 = (\sqrt{\hat{s}}-E)^2 - E^2 = \hat{s} - 2E\sqrt{\hat{s}} = -Q^2 \implies E = \frac{\hat{s}+Q^2}{2\sqrt{\hat{s}}} 在质心系中,出射的夸克和胶子背向运动,且能量平分(因为它们均无质量): p1=(s^2,pT,pz),p2=(s^2,pT,pz)p_1 = \left(\frac{\sqrt{\hat{s}}}{2}, \vec{p}_T, p_z\right), \quad p_2 = \left(\frac{\sqrt{\hat{s}}}{2}, -\vec{p}_T, -p_z\right) 由出射粒子无质量条件 p12=0p_1^2 = 0 可得: s^4pT2pz2=0    4pz2=s^4pT2\frac{\hat{s}}{4} - p_T^2 - p_z^2 = 0 \implies 4p_z^2 = \hat{s} - 4p_T^2 接下来计算 t^\hat{t}u^\hat{u}t^=2pp2=2E(s^2+pz)=E(s^+2pz)\hat{t} = -2p \cdot p_2 = -2E\left(\frac{\sqrt{\hat{s}}}{2} + p_z\right) = -E(\sqrt{\hat{s}} + 2p_z) u^=2pp1=2E(s^2pz)=E(s^2pz)\hat{u} = -2p \cdot p_1 = -2E\left(\frac{\sqrt{\hat{s}}}{2} - p_z\right) = -E(\sqrt{\hat{s}} - 2p_z) 将两者相乘: t^u^=E2(s^4pz2)\hat{t}\hat{u} = E^2 (\hat{s} - 4p_z^2) 代入前面得到的 4pz2=s^4pT24p_z^2 = \hat{s} - 4p_T^2 以及 EE 的表达式: t^u^=(s^+Q22s^)2(4pT2)=(s^+Q2)2s^pT2\hat{t}\hat{u} = \left( \frac{\hat{s}+Q^2}{2\sqrt{\hat{s}}} \right)^2 (4p_T^2) = \frac{(\hat{s}+Q^2)^2}{\hat{s}} p_T^2 重新排列即可得到横动量平方的表达式: pT2=s^t^u^(s^+Q2)2\boxed{ p_T^2 = \frac{\hat{s}\hat{t}\hat{u}}{(\hat{s}+Q^2)^2} }


2. 验证 Eq. (32.58)

过程 γqqg\gamma^* q \rightarrow qg 经自旋和颜色平均后的矩阵元平方为: M2=32π2ααseq2CF(t^s^s^t^+2u^Q2s^t^)|\overline{\mathcal{M}}|^2 = 32 \pi^2 \alpha \alpha_s e_q^2 C_F \left( -\frac{\hat{t}}{\hat{s}} - \frac{\hat{s}}{\hat{t}} + \frac{2\hat{u} Q^2}{\hat{s}\hat{t}} \right) Eq. (32.58) 描述的是小横动量(共线极限 pT20p_T^2 \rightarrow 0)下的行为。由第一问可知,这对应于 t^0\hat{t} \rightarrow 0(出射胶子与入射夸克共线)。在该极限下,保留分母中含 t^\hat{t} 的主导发散项: M232π2ααseq2CFt^(s^+2u^Q2s^)|\overline{\mathcal{M}}|^2 \approx \frac{32 \pi^2 \alpha \alpha_s e_q^2 C_F}{\hat{t}} \left( -\hat{s} + \frac{2\hat{u} Q^2}{\hat{s}} \right) 利用 Mandelstam 变量的守恒关系 s^+t^+u^=Q2\hat{s} + \hat{t} + \hat{u} = -Q^2,在 t^0\hat{t} \rightarrow 0 时有 u^Q2s^\hat{u} \approx -Q^2 - \hat{s}。代入括号中: s^+2(Q2s^)Q2s^=s^2Q22Q4s^-\hat{s} + \frac{2(-Q^2-\hat{s})Q^2}{\hat{s}} = -\hat{s} - 2Q^2 - \frac{2Q^4}{\hat{s}} 引入部分子动量分数 z=Q2s^+Q2z = \frac{Q^2}{\hat{s}+Q^2},则 s^=Q21zz\hat{s} = Q^2 \frac{1-z}{z}。将其代入上式化简: Q2(1zz+2+2z1z)=Q2(1z)2+2z(1z)+2z2z(1z)=Q21+z2z(1z)-Q^2 \left( \frac{1-z}{z} + 2 + \frac{2z}{1-z} \right) = -Q^2 \frac{(1-z)^2 + 2z(1-z) + 2z^2}{z(1-z)} = -Q^2 \frac{1+z^2}{z(1-z)} 因此,共线极限下的矩阵元平方为: M232π2ααseq2CFQ2t^1+z2z(1z)|\overline{\mathcal{M}}|^2 \approx - \frac{32 \pi^2 \alpha \alpha_s e_q^2 C_F Q^2}{\hat{t}} \frac{1+z^2}{z(1-z)} 再利用第一问的结果,在 t^0\hat{t} \rightarrow 0 时展开 pT2p_T^2pT2s^t^(Q2s^)(s^+Q2)2=s^s^+Q2t^=(1z)t^    t^pT21zp_T^2 \approx \frac{\hat{s}\hat{t}(-Q^2-\hat{s})}{(\hat{s}+Q^2)^2} = -\frac{\hat{s}}{\hat{s}+Q^2} \hat{t} = -(1-z)\hat{t} \implies \hat{t} \approx -\frac{p_T^2}{1-z}t^\hat{t} 替换为 pT2p_T^2,矩阵元平方变为: M232π2ααseq2CFQ2zpT2(1+z2)|\overline{\mathcal{M}}|^2 \approx \frac{32 \pi^2 \alpha \alpha_s e_q^2 C_F Q^2}{z p_T^2} (1+z^2) 微分散射截面由相空间和通量因子给出: dσ^dt^=116π(s^+Q2)2M2\frac{d\hat{\sigma}}{d\hat{t}} = \frac{1}{16\pi (\hat{s}+Q^2)^2} |\overline{\mathcal{M}}|^2 通过雅可比行列式转换变量到 pT2p_T^2,由 t^pT21z\hat{t} \approx -\frac{p_T^2}{1-z} 可知 dt^dpT2=11z\left| \frac{d\hat{t}}{dp_T^2} \right| = \frac{1}{1-z}dσ^dpT2=dσ^dt^dt^dpT2=116π(Q2/z)2[32π2ααseq2CFQ2zpT2(1+z2)]11z\frac{d\hat{\sigma}}{dp_T^2} = \frac{d\hat{\sigma}}{d\hat{t}} \left| \frac{d\hat{t}}{dp_T^2} \right| = \frac{1}{16\pi (Q^2/z)^2} \left[ \frac{32 \pi^2 \alpha \alpha_s e_q^2 C_F Q^2}{z p_T^2} (1+z^2) \right] \frac{1}{1-z} 化简上述表达式: dσ^dpT2=z216πQ432π2ααseq2CFQ2zpT21+z21z=2πααseq2CFzQ2pT21+z21z\frac{d\hat{\sigma}}{dp_T^2} = \frac{z^2}{16\pi Q^4} \frac{32 \pi^2 \alpha \alpha_s e_q^2 C_F Q^2}{z p_T^2} \frac{1+z^2}{1-z} = \frac{2\pi \alpha \alpha_s e_q^2 C_F z}{Q^2 p_T^2} \frac{1+z^2}{1-z} 对于领头阶(Born)过程 γqq\gamma^* q \rightarrow q,其总截面为 σ^0=4π2αeq2zQ2\hat{\sigma}_0 = \frac{4\pi^2 \alpha e_q^2 z}{Q^2}。提取出 σ^0\hat{\sigma}_0 因子: dσ^dpT2=(4π2αeq2zQ2)αs2πCF1pT21+z21z=σ^01pT2αs2πCF1+z21z\frac{d\hat{\sigma}}{dp_T^2} = \left( \frac{4\pi^2 \alpha e_q^2 z}{Q^2} \right) \frac{\alpha_s}{2\pi} C_F \frac{1}{p_T^2} \frac{1+z^2}{1-z} = \hat{\sigma}_0 \frac{1}{p_T^2} \frac{\alpha_s}{2\pi} C_F \frac{1+z^2}{1-z} 加上被忽略的非奇异项(即 t^\hat{t} 不趋于 00 时的有限项,其量级为 O(pT2/Q2)\mathcal{O}(p_T^2/Q^2)),我们最终得到: dσ^(γqqg)dpT2=σ^01pT2[αs2πCF1+z21z+O(pT2Q2)]\boxed{ \frac{d\hat{\sigma}(\gamma^* q \rightarrow qg)}{dp_T^2} = \hat{\sigma}_0 \frac{1}{p_T^2} \left[ \frac{\alpha_s}{2\pi} C_F \frac{1+z^2}{1-z} + \mathcal{O}\left(\frac{p_T^2}{Q^2}\right) \right] } 这完美验证了 Eq. (32.58)。其中 1+z21z\frac{1+z^2}{1-z} 正是著名的 Altarelli-Parisi 分裂函数 Pqq(z)P_{qq}(z) 的核心部分。

32.11

Problem 32.11

schwarzChapter 32

习题 32.11

来源: 第32章, PDF第699页


32.11 Relate the lightcone PDF definition from Eq. (32.117) to the Mellin moments from Section 32.4.4.

(a) Compute the m=1m = 1 moment of the lightcone PDF definition to show that you get the matrix element of the spin-1 operator O^qμ=ψˉγμψ\hat{O}_q^\mu = \bar{\psi}\gamma^\mu\psi. Be careful with the limits of integration.

(b) Show that you can reproduce the matrix elements of the twist-2 spin-mm operators by taking moments.

(c) Can you construct the lightcone PDF definition from the Mellin moments?


Referenced Equations:

Equation (32.117):

fq(ξ)=dt2πeitξ(nP)Pψˉq(tnμ)nˉ2Wnψq(0)P.(32.117)f_q(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{dt}{2\pi} e^{-it\xi(n \cdot P)} \langle P | \bar{\psi}_q(tn^\mu) \frac{\bar{n}}{2} W_n \psi_q(0) | P \rangle. \tag{32.117}

Equation (32.4):

(dσdΩ)lab=αe24E2sin4θ2EE(cos2θ2q22mp2sin2θ2),(32.4)\left( \frac{d\sigma}{d\Omega} \right)_{\text{lab}} = \frac{\alpha_e^2}{4E^2 \sin^4 \frac{\theta}{2}} \frac{E'}{E} \left( \cos^2 \frac{\theta}{2} - \frac{q^2}{2m_p^2} \sin^2 \frac{\theta}{2} \right), \tag{32.4}

习题 32.11 - 解答


习题分析与物理背景

本题旨在建立非局域的光锥部分子分布函数(PDF)定义与局域的 Twist-2 算符的 Mellin 矩之间的严格数学联系。光锥 PDF 实际上是对无穷多阶局域算符的重新求和(Resummation)。通过对 PDF 求矩,可以投影出特定自旋的局域算符的矩阵元;反之,通过对所有矩构建生成函数(即傅里叶变换),可以从局域算符重建非局域的光锥 PDF 定义。

注:题目公式 (32.117) 中的 nˉ2\frac{\bar{n}}{2} 为简写,严格的旋量空间表示为 ̸ ⁣nˉ2=nˉμγμ2\frac{\slashed{\bar{n}}}{2} = \frac{\bar{n}_\mu \gamma^\mu}{2}


(a) 计算 m=1m = 1 的矩并关联自旋-1算符

在处理 Mellin 矩时,必须非常小心积分限。物理上,夸克的 PDF fq(ξ)f_q(\xi)ξ[0,1]\xi \in [0, 1] 有非零值,而反夸克的 PDF fqˉ(ξ)f_{\bar{q}}(\xi)ξ[0,1]\xi \in [0, 1] 有非零值。利用交叉对称性 fqˉ(ξ)=fq(ξ)f_{\bar{q}}(\xi) = -f_q(-\xi),标准 Mellin 矩可以写为整个 [1,1][-1, 1] 区间的积分: 01dξξm1[fq(ξ)+(1)mfqˉ(ξ)]=11dξξm1fq(ξ)\int_0^1 d\xi \xi^{m-1} [f_q(\xi) + (-1)^m f_{\bar{q}}(\xi)] = \int_{-1}^1 d\xi \xi^{m-1} f_q(\xi) 由于 fq(ξ)f_q(\xi)[1,1][-1, 1] 之外为零,我们可以将积分限安全地扩展到 (,)(-\infty, \infty)

对于 m=1m=1,取 Eq. (32.117) 在全空间的积分: 11dξfq(ξ)=dξdt2πeitξ(nP)Pψˉq(tn)̸ ⁣nˉ2Wn(tn,0)ψq(0)P\int_{-1}^1 d\xi f_q(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} d\xi \int_{-\infty}^{\infty} \frac{dt}{2\pi} e^{-it\xi(n \cdot P)} \langle P | \bar{\psi}_q(tn) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} W_n(tn, 0) \psi_q(0) | P \rangle

利用 ξ\xi 的积分产生 δ\delta 函数:dξeitξ(nP)=2πnPδ(t)\int_{-\infty}^{\infty} d\xi e^{-it\xi(n \cdot P)} = \frac{2\pi}{n \cdot P} \delta(t),代入上式并对 tt 积分: 11dξfq(ξ)=1nPPψˉq(0)̸ ⁣nˉ2Wn(0,0)ψq(0)P\int_{-1}^1 d\xi f_q(\xi) = \frac{1}{n \cdot P} \langle P | \bar{\psi}_q(0) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} W_n(0, 0) \psi_q(0) | P \rangle

由于同一点的 Wilson 线 Wn(0,0)=1W_n(0, 0) = 1,且 ̸ ⁣nˉ=nˉμγμ\slashed{\bar{n}} = \bar{n}_\mu \gamma^\mu,我们得到: 11dξfq(ξ)=nˉμ2(nP)Pψˉq(0)γμψq(0)P\int_{-1}^1 d\xi f_q(\xi) = \frac{\bar{n}_\mu}{2(n \cdot P)} \langle P | \bar{\psi}_q(0) \gamma^\mu \psi_q(0) | P \rangle

这正是自旋-1 矢量流算符 O^qμ=ψˉqγμψq\hat{O}_q^\mu = \bar{\psi}_q \gamma^\mu \psi_q 的矩阵元在 nˉ\bar{n} 方向上的投影。最终结果为: 11dξfq(ξ)=nˉμ2(nP)PO^qμP\boxed{ \int_{-1}^1 d\xi f_q(\xi) = \frac{\bar{n}_\mu}{2(n \cdot P)} \langle P | \hat{O}_q^\mu | P \rangle }


(b) 重现 Twist-2 spin-mm 算符的矩阵元

对于任意 mm 阶矩,我们在积分中引入 ξm1\xi^{m-1}。在傅里叶变换中,ξm1\xi^{m-1} 等价于对共轭变量 tt 的导数: ξm1eitξ(nP)=(inPt)m1eitξ(nP)\xi^{m-1} e^{-it\xi(n \cdot P)} = \left( \frac{i}{n \cdot P} \frac{\partial}{\partial t} \right)^{m-1} e^{-it\xi(n \cdot P)}

将此代入 mm 阶矩的定义,并对 tt 进行分部积分(假设无穷远处边界项为零): 11dξξm1fq(ξ)=dξdt2πeitξ(nP)(inPt)m1Pψˉq(tn)̸ ⁣nˉ2Wn(tn,0)ψq(0)P\int_{-1}^1 d\xi \xi^{m-1} f_q(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} d\xi \int_{-\infty}^{\infty} \frac{dt}{2\pi} e^{-it\xi(n \cdot P)} \left( \frac{-i}{n \cdot P} \frac{\partial}{\partial t} \right)^{m-1} \langle P | \bar{\psi}_q(tn) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} W_n(tn, 0) \psi_q(0) | P \rangle

同样地,ξ\xi 积分给出 2πnPδ(t)\frac{2\pi}{n \cdot P} \delta(t),因此只需计算 t=0t=0 处的导数: 11dξξm1fq(ξ)=1nP[(inPt)m1Pψˉq(tn)̸ ⁣nˉ2Wn(tn,0)ψq(0)P]t=0\int_{-1}^1 d\xi \xi^{m-1} f_q(\xi) = \frac{1}{n \cdot P} \left[ \left( \frac{-i}{n \cdot P} \frac{\partial}{\partial t} \right)^{m-1} \langle P | \bar{\psi}_q(tn) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} W_n(tn, 0) \psi_q(0) | P \rangle \right]_{t=0}

带有 Wilson 线的非局域算符的泰勒展开会自然地引入协变导数 Dμ=μigAμD^\mu = \partial^\mu - igA^\mu。根据平移不变性,导数可以等价地作用在 ψq(0)\psi_q(0) 上: [(t)m1ψˉq(tn)Wn(tn,0)ψq(0)]t=0=ψˉq(0)(nD)m1ψq(0)\left[ \left( \frac{\partial}{\partial t} \right)^{m-1} \bar{\psi}_q(tn) W_n(tn, 0) \psi_q(0) \right]_{t=0} = \bar{\psi}_q(0) (-n \cdot \overrightarrow{D})^{m-1} \psi_q(0)

代入上式,负号与 i-i 结合得到正的 iDiD11dξξm1fq(ξ)=1nPPψˉq(0)̸ ⁣nˉ2(inDnP)m1ψq(0)P\int_{-1}^1 d\xi \xi^{m-1} f_q(\xi) = \frac{1}{n \cdot P} \langle P | \bar{\psi}_q(0) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} \left( \frac{i n \cdot D}{n \cdot P} \right)^{m-1} \psi_q(0) | P \rangle

将其展开并用 Twist-2 spin-mm 算符 O^qμ1μm=ψˉqγ{μ1iDμ2iDμm}ψq\hat{O}_q^{\mu_1 \dots \mu_m} = \bar{\psi}_q \gamma^{\{\mu_1} iD^{\mu_2} \dots iD^{\mu_m\}} \psi_q 表示: 11dξξm1fq(ξ)=nˉμ1nμ2nμm2(nP)mPO^qμ1μmP\boxed{ \int_{-1}^1 d\xi \xi^{m-1} f_q(\xi) = \frac{\bar{n}_{\mu_1} n_{\mu_2} \dots n_{\mu_m}}{2(n \cdot P)^m} \langle P | \hat{O}_q^{\mu_1 \dots \mu_m} | P \rangle } 这成功重现了 Twist-2 spin-mm 算符的矩阵元。


(c) 从 Mellin 矩重建光锥 PDF 定义

结论:可以重建。

推导过程: 已知所有阶的 Mellin 矩 Mm=11dξξm1fq(ξ)M_m = \int_{-1}^1 d\xi \xi^{m-1} f_q(\xi),我们可以构造 fq(ξ)f_q(\xi) 的傅里叶变换(即矩的生成函数)f~q(y)\tilde{f}_q(y)f~q(y)=11dξeiξyfq(ξ)=m=1(iy)m1(m1)!Mm\tilde{f}_q(y) = \int_{-1}^1 d\xi e^{i \xi y} f_q(\xi) = \sum_{m=1}^\infty \frac{(iy)^{m-1}}{(m-1)!} M_m

将 (b) 中得到的 MmM_m 表达式代入: f~q(y)=1nPm=11(m1)!Pψˉq(0)̸ ⁣nˉ2(iy(nD)nP)m1ψq(0)P\tilde{f}_q(y) = \frac{1}{n \cdot P} \sum_{m=1}^\infty \frac{1}{(m-1)!} \langle P | \bar{\psi}_q(0) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} \left( \frac{i y (n \cdot D)}{n \cdot P} \right)^{m-1} \psi_q(0) | P \rangle

y=t(nP)y = -t (n \cdot P),则上式变为: f~q(t(nP))=1nPk=0tkk!Pψˉq(0)̸ ⁣nˉ2(nD)kψq(0)P\tilde{f}_q(-t(n \cdot P)) = \frac{1}{n \cdot P} \sum_{k=0}^\infty \frac{t^k}{k!} \langle P | \bar{\psi}_q(0) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} (n \cdot D)^k \psi_q(0) | P \rangle

识别出求和项正是带有 Wilson 线的规范协变平移算符的泰勒展开: k=0tkk!(nD)kψq(0)=Wn(0,tn)ψq(tn)\sum_{k=0}^\infty \frac{t^k}{k!} (n \cdot D)^k \psi_q(0) = W_n(0, tn) \psi_q(tn) f~q(t(nP))=1nPPψˉq(0)̸ ⁣nˉ2Wn(0,tn)ψq(tn)P\tilde{f}_q(-t(n \cdot P)) = \frac{1}{n \cdot P} \langle P | \bar{\psi}_q(0) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} W_n(0, tn) \psi_q(tn) | P \rangle

利用强子态矩阵元的平移不变性,将所有算符的坐标平移 tn-tnf~q(t(nP))=1nPPψˉq(tn)̸ ⁣nˉ2Wn(tn,0)ψq(0)P\tilde{f}_q(-t(n \cdot P)) = \frac{1}{n \cdot P} \langle P | \bar{\psi}_q(-tn) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} W_n(-tn, 0) \psi_q(0) | P \rangle

ttt \to -t,得到: f~q(t(nP))=1nPPψˉq(tn)̸ ⁣nˉ2Wn(tn,0)ψq(0)P\tilde{f}_q(t(n \cdot P)) = \frac{1}{n \cdot P} \langle P | \bar{\psi}_q(tn) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} W_n(tn, 0) \psi_q(0) | P \rangle

最后,通过逆傅里叶变换恢复 fq(ξ)f_q(\xi)。令 y=t(nP)y = t(n \cdot P),则 dy=(nP)dtdy = (n \cdot P)dtfq(ξ)=dy2πeiξyf~q(y)=(nP)dt2πeiξt(nP)f~q(t(nP))f_q(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{dy}{2\pi} e^{-i \xi y} \tilde{f}_q(y) = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{(n \cdot P) dt}{2\pi} e^{-i \xi t (n \cdot P)} \tilde{f}_q(t(n \cdot P))

代入 f~q(t(nP))\tilde{f}_q(t(n \cdot P)) 的表达式,(nP)(n \cdot P) 因子恰好抵消: fq(ξ)=dt2πeitξ(nP)Pψˉq(tn)̸ ⁣nˉ2Wn(tn,0)ψq(0)P\boxed{ f_q(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{dt}{2\pi} e^{-it\xi(n \cdot P)} \langle P | \bar{\psi}_q(tn) \frac{\slashed{\bar{n}}}{2} W_n(tn, 0) \psi_q(0) | P \rangle } 这完美地从 Mellin 矩逆向构造出了 Eq. (32.117) 中的光锥 PDF 定义。

32.2

Problem 32.2

schwarzChapter 32

习题 32.2

来源: 第32章, PDF第698页


32.2 Show that the PDFs, as classical probabilities, should satisfy jdxxfj(x)=1\sum_j \int dx \, x f_j(x) = 1, as in Eq. (32.29). [Hint: consider the average momentum for each parton.]

Referenced Equations:

Equation (32.29):

jdξξfj(ξ)=1.(32.29)\sum_j \int d\xi \, \xi f_j(\xi) = 1. \tag{32.29}

习题 32.2 - 解答


物理背景与概念说明

在部分子模型(Parton Model)中,强子(如质子)被视为由许多点状的组分——部分子(夸克、反夸克和胶子)组成的束缚态。假设强子具有极大的总动量 PP(无限动量系),每个部分子携带强子总动量的一个纵向分数 xx(或记为 ξ\xi),即部分子的动量为 pj=xPp_j = xP

部分子分布函数(Parton Distribution Function, PDF)fj(x)f_j(x) 的物理意义是经典概率密度(更确切地说是数密度):fj(x)dxf_j(x) dx 表示在动量分数区间 [x,x+dx][x, x+dx] 内,找到种类为 jj 的部分子的期望数量。

推导过程

根据 PDF 的定义,种类为 jj、动量分数为 xx 的单个部分子所携带的动量为: pj=xPp_j = xP

在动量分数区间 [x,x+dx][x, x+dx] 内,种类为 jj 的部分子的总数量为 fj(x)dxf_j(x) dx。因此,这些部分子携带的总动量为: dpj=(xP)fj(x)dxdp_j = (xP) f_j(x) dx

对所有可能的动量分数 xx(由于 xx 是动量分数,其取值范围为 0x10 \le x \le 1)进行积分,可以得到种类为 jj 的所有部分子所携带的平均总动量 Pj\langle P_j \ranglePj=01(xP)fj(x)dx\langle P_j \rangle = \int_{0}^{1} (xP) f_j(x) dx

由于强子完全由这些部分子构成,根据动量守恒定律,所有种类 jj(包括所有的夸克、反夸克和胶子)的部分子所携带的动量之和,必须严格等于强子的总动量 PP。因此,对所有部分子种类 jj 求和,我们有: jPj=P\sum_j \langle P_j \rangle = P

将积分表达式代入上式中: j01(xP)fj(x)dx=P\sum_j \int_{0}^{1} (xP) f_j(x) dx = P

由于强子的总动量 PP 是一个与积分变量 xx 和求和指标 jj 无关的常数,可以将其从求和与积分号中提取出来: P(j01xfj(x)dx)=PP \left( \sum_j \int_{0}^{1} x f_j(x) dx \right) = P

等式两边同时除以非零的强子总动量 PP,即可得到部分子的动量求和规则(Momentum Sum Rule): j01xfj(x)dx=1\sum_j \int_{0}^{1} x f_j(x) dx = 1

该等式表明,所有部分子携带的动量分数之和的期望值为 1,这正是经典概率和动量守恒的必然结果。将积分变量 xx 替换为 ξ\xi,即得到公式 (32.29)。

jdxxfj(x)=1\boxed{ \sum_j \int dx \, x f_j(x) = 1 }
32.3

Problem 32.3

schwarzChapter 32

习题 32.3

来源: 第32章, PDF第698页


32.3 Derive the expansion in Eq. (32.38). One way to do this is to write

01dxx1+εf(x)=01dxx1+εf(0)+01dxx1+ε[f(x)f(0)](32.118)\int_0^1 dx \, x^{-1+\varepsilon} f(x) = \int_0^1 dx \, x^{-1+\varepsilon} f(0) + \int_0^1 dx \, x^{-1+\varepsilon} [f(x) - f(0)] \tag{32.118}

and to evaluate the first term and Taylor expand the second term.

Referenced Equations:

Equation (32.38):

1(1z)1+ε=1εδ(1z)+1[1z]+ε[ln(1z)1z]++n=2(ε)nn![lnn(1z)1z]+,(32.38)\frac{1}{(1-z)^{1+\varepsilon}} = -\frac{1}{\varepsilon} \delta(1-z) + \frac{1}{[1-z]_+} - \varepsilon \left[ \frac{\ln(1-z)}{1-z} \right]_+ + \sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-\varepsilon)^n}{n!} \left[ \frac{\ln^n(1-z)}{1-z} \right]_+ , \tag{32.38}

习题 32.3 - 解答


为了推导分布等式 (32.38),我们需要考察分布 1(1z)1+ε\frac{1}{(1-z)^{1+\varepsilon}} 作用在定义于区间 z[0,1]z \in [0,1] 上的任意平滑测试函数 g(z)g(z) 上的积分。

设该积分为 II,即:

I=01dzg(z)(1z)1+εI = \int_0^1 dz \, \frac{g(z)}{(1-z)^{1+\varepsilon}}

作变量代换 x=1zx = 1-z,则 dz=dxdz = -dx,积分区间变为 x[0,1]x \in [0,1]。定义 f(x)=g(1x)f(x) = g(1-x),此时 f(0)=g(1)f(0) = g(1)。积分可以写为:

I=01dxx1εf(x)I = \int_0^1 dx \, x^{-1-\varepsilon} f(x)

注意,题目提示中的公式 (32.118) 使用了 x1+εx^{-1+\varepsilon},而目标公式 (32.38) 的分母为 (1z)1+ε(1-z)^{1+\varepsilon},对应的是 x1εx^{-1-\varepsilon}。我们直接采用与目标公式一致的指数 1ε-1-\varepsilon。借鉴提示中的方法,我们在被积函数中加上并减去 f(0)f(0),将积分拆分为两项:

I=01dxx1εf(0)+01dxx1ε[f(x)f(0)]I = \int_0^1 dx \, x^{-1-\varepsilon} f(0) + \int_0^1 dx \, x^{-1-\varepsilon} [f(x) - f(0)]

第一项的计算: 对于第一项,我们假设 Re(ε)<0\text{Re}(\varepsilon) < 0 以保证积分在 x=0x=0 处收敛(随后通过解析延拓推广到其他区域):

01dxx1εf(0)=f(0)[xεε]01=1εf(0)\int_0^1 dx \, x^{-1-\varepsilon} f(0) = f(0) \left[ \frac{x^{-\varepsilon}}{-\varepsilon} \right]_0^1 = -\frac{1}{\varepsilon} f(0)

代回原变量 f(0)=g(1)f(0) = g(1),这等价于狄拉克 δ\delta 函数的作用:

1εg(1)=01dz[1εδ(1z)]g(z)-\frac{1}{\varepsilon} g(1) = \int_0^1 dz \left[ -\frac{1}{\varepsilon} \delta(1-z) \right] g(z)

第二项的展开: 对于第二项,由于 f(x)f(x) 是平滑的,当 x0x \to 0[f(x)f(0)]O(x)[f(x) - f(0)] \sim \mathcal{O}(x),这足以抵消 1/x1/x 的奇异性。因此,我们可以安全地将 x1εx^{-1-\varepsilon}ε=0\varepsilon = 0 处进行泰勒展开:

x1ε=1xxε=1xeεlnx=1xn=0(εlnx)nn!x^{-1-\varepsilon} = \frac{1}{x} x^{-\varepsilon} = \frac{1}{x} e^{-\varepsilon \ln x} = \frac{1}{x} \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-\varepsilon \ln x)^n}{n!}

将其代入第二项积分中:

01dxx1ε[f(x)f(0)]=01dxn=0(ε)nn!lnnxx[f(x)f(0)]\int_0^1 dx \, x^{-1-\varepsilon} [f(x) - f(0)] = \int_0^1 dx \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-\varepsilon)^n}{n!} \frac{\ln^n x}{x} [f(x) - f(0)]

将变量还原为 z=1xz = 1-x,则 x=1zx = 1-z,且 f(x)=g(z)f(x) = g(z)f(0)=g(1)f(0) = g(1)

01dxx1ε[f(x)f(0)]=01dzn=0(ε)nn!lnn(1z)1z[g(z)g(1)]\int_0^1 dx \, x^{-1-\varepsilon} [f(x) - f(0)] = \int_0^1 dz \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-\varepsilon)^n}{n!} \frac{\ln^n(1-z)}{1-z} [g(z) - g(1)]

引入加号分布(Plus Distribution): 加号分布 [D(z)]+[D(z)]_+ 作用于测试函数 g(z)g(z) 的定义为:

01dz[D(z)]+g(z)=01dzD(z)[g(z)g(1)]\int_0^1 dz \, [D(z)]_+ g(z) = \int_0^1 dz \, D(z) [g(z) - g(1)]

利用该定义,第二项积分可以精确地写为加号分布的形式:

01dzn=0(ε)nn![lnn(1z)1z]+g(z)\int_0^1 dz \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-\varepsilon)^n}{n!} \left[ \frac{\ln^n(1-z)}{1-z} \right]_+ g(z)

合并结果: 将第一项和第二项的结果相加,我们得到分布作用在任意测试函数 g(z)g(z) 上的完整表达式:

I=01dz{1εδ(1z)+n=0(ε)nn![lnn(1z)1z]+}g(z)I = \int_0^1 dz \left\{ -\frac{1}{\varepsilon} \delta(1-z) + \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-\varepsilon)^n}{n!} \left[ \frac{\ln^n(1-z)}{1-z} \right]_+ \right\} g(z)

由于该等式对任意平滑测试函数 g(z)g(z) 均成立,我们可以直接提取出分布本身的等式:

1(1z)1+ε=1εδ(1z)+n=0(ε)nn![lnn(1z)1z]+\frac{1}{(1-z)^{1+\varepsilon}} = -\frac{1}{\varepsilon} \delta(1-z) + \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-\varepsilon)^n}{n!} \left[ \frac{\ln^n(1-z)}{1-z} \right]_+

将求和级数的前两项(n=0n=0n=1n=1)显式写出,即得到最终的展开式:

1(1z)1+ε=1εδ(1z)+1[1z]+ε[ln(1z)1z]++n=2(ε)nn![lnn(1z)1z]+\boxed{ \frac{1}{(1-z)^{1+\varepsilon}} = -\frac{1}{\varepsilon} \delta(1-z) + \frac{1}{[1-z]_+} - \varepsilon \left[ \frac{\ln(1-z)}{1-z} \right]_+ + \sum_{n=2}^{\infty} \frac{(-\varepsilon)^n}{n!} \left[ \frac{\ln^n(1-z)}{1-z} \right]_+ }
32.4

Problem 32.4

schwarzChapter 32

习题 32.4

来源: 第32章, PDF第698页


32.4 Evaluate the relationship between W1W_1 and W2W_2 that would result instead of the Callan–Gross relation if quarks were scalars. How could you test this prediction?

习题 32.4 - 解答


题目分析与物理背景

在深度非弹性散射(DIS)中,强子张量 WμνW^{\mu\nu} 可以用两个结构函数 W1W_1W2W_2 来参数化(假设非极化散射且忽略弱相互作用): Wμν=W1(gμν+qμqνq2)+W2M2(pμpqq2qμ)(pνpqq2qν)W^{\mu\nu} = W_1 \left( -g^{\mu\nu} + \frac{q^\mu q^\nu}{q^2} \right) + \frac{W_2}{M^2} \left( p^\mu - \frac{p \cdot q}{q^2} q^\mu \right) \left( p^\nu - \frac{p \cdot q}{q^2} q^\nu \right) 其中 pp 是靶核子的四维动量,qq 是虚光子的四维动量,MM 是核子质量。

在部分子模型中,如果夸克是自旋为 1/21/2 的费米子,由于在 Breit 参考系中自旋 1/21/2 的无质量粒子只能吸收横向极化的虚光子,这导致了著名的 Callan-Gross 关系:2xMW1=νW22xM W_1 = \nu W_2(或写为 2xF1=F22x F_1 = F_2)。 本题要求推导如果夸克是自旋为 00 的标量粒子时,W1W_1W2W_2 之间会产生什么新的关系,并说明如何通过实验检验这一预测。


1. 标量夸克下 W1W_1W2W_2 的关系推导

假设夸克是标量粒子(自旋为 0)。在部分子模型中,入射虚光子与携带核子动量分数 xx 的部分子发生弹性散射,部分子的初始动量为 k=xpk = xp

对于标量粒子,电磁顶点的费曼规则给出的因子正比于 (k+k)μ(k + k')^\mu,其中末态部分子动量 k=k+qk' = k + q。因此,标量部分子张量 W^μν\hat{W}^{\mu\nu} 正比于矩阵元的平方: W^μν(k+k)μ(k+k)νδ((k+q)2mq2)\hat{W}^{\mu\nu} \propto (k + k')^\mu (k + k')^\nu \delta((k+q)^2 - m_q^2) 代入 k=k+qk' = k + q,顶点因子变为 (2k+q)μ(2k + q)^\mu。在 Bjorken 极限下,忽略夸克质量和核子质量(mq20,p20m_q^2 \approx 0, p^2 \approx 0),动量守恒的 δ\delta 函数要求: (k+q)22kq+q2=2xpq+q2=0    x=q22pq=xB(k+q)^2 \approx 2k \cdot q + q^2 = 2x p \cdot q + q^2 = 0 \implies x = \frac{-q^2}{2p \cdot q} = x_B 此时,顶点因子可以写为: (2k+q)μ=(2xp+q)μ(2k + q)^\mu = (2xp + q)^\mu 利用在 δ\delta 函数支撑集上成立的运动学关系 2xpq=q22x p \cdot q = -q^2,我们可以将上式改写为规范不变的形式。提取因子 2x2x(2xp+q)μ=2x(pμ+12xqμ)=2x(pμpqq2qμ)(2xp + q)^\mu = 2x \left( p^\mu + \frac{1}{2x} q^\mu \right) = 2x \left( p^\mu - \frac{p \cdot q}{q^2} q^\mu \right) 因此,标量部分子张量 W^μν\hat{W}^{\mu\nu} 的结构为: W^μν4x2(pμpqq2qμ)(pνpqq2qν)\hat{W}^{\mu\nu} \propto 4x^2 \left( p^\mu - \frac{p \cdot q}{q^2} q^\mu \right) \left( p^\nu - \frac{p \cdot q}{q^2} q^\nu \right)

将此微观部分子张量与宏观强子张量 WμνW^{\mu\nu} 的一般形式进行对比。可以明显看出,标量部分子张量中完全不包含 (gμν+qμqνq2)\left( -g^{\mu\nu} + \frac{q^\mu q^\nu}{q^2} \right) 这一项。 由于 W1W_1 是该项的系数,我们必然得出: W1=0W_1 = 0W2W_2 项的系数非零。

物理图像(螺旋度守恒论证): 结构函数 W1W_1 仅与横向极化虚光子的吸收截面 σT\sigma_T 成正比,而 W2W_2 与纵向和横向极化截面之和 (σT+σL)(\sigma_T + \sigma_L) 成正比。在 Breit 参考系(砖墙参考系)中,虚光子只携带动量而不携带能量。如果夸克是自旋为 0 的标量粒子,它无法改变自身的自旋状态来吸收一个携带螺旋度 λ=±1\lambda = \pm 1 的横向极化光子(这会违背角动量守恒)。因此,标量夸克只能吸收纵向极化(标量)光子,即 σT=0\sigma_T = 0。这直接导致 W1=0W_1 = 0

因此,如果夸克是标量粒子,替代 Callan-Gross 关系的新关系为: W1=0orF1=0\boxed{W_1 = 0 \quad \text{or} \quad F_1 = 0}


2. 实验检验方法

要检验这一预测,可以通过测量电子-核子深度非弹性散射的微分截面来进行。在实验室参考系中,电子散射的微分截面公式(Rosenbluth 公式)为: d2σdΩdE=α2cos2(θ/2)4E2sin4(θ/2)[W2(x,Q2)+2W1(x,Q2)tan2(θ/2)]\frac{d^2\sigma}{d\Omega dE'} = \frac{\alpha^2 \cos^2(\theta/2)}{4 E^2 \sin^4(\theta/2)} \left[ W_2(x, Q^2) + 2 W_1(x, Q^2) \tan^2(\theta/2) \right] 其中 EE 是入射电子能量,EE' 是散射电子能量,θ\theta 是散射角。

检验步骤(Rosenbluth 分离法):

  1. 定义约化截面 σR\sigma_R 为实验测量的微分截面除以 Mott 截面(即公式中括号外的因子): σR=d2σ/dΩdEσMott=W2+2W1tan2(θ/2)\sigma_R = \frac{d^2\sigma / d\Omega dE'}{\sigma_{\text{Mott}}} = W_2 + 2 W_1 \tan^2(\theta/2)
  2. 在实验中,保持运动学变量 xxQ2Q^2 固定(这意味着能量转移 ν\nu 也是固定的),通过改变入射能量 EE 和散射角 θ\theta 来进行多次测量。
  3. 将测得的约化截面 σR\sigma_R 作为 tan2(θ/2)\tan^2(\theta/2) 的函数绘制图表(Rosenbluth plot)。
  4. 根据公式,该图应为一条直线。直线的斜率等于 2W12W_1截距等于 W2W_2

预测与结论:

  • 如果夸克是标量粒子(本题假设),预测 W1=0W_1 = 0。在 Rosenbluth 图中,实验数据点将拟合出一条斜率为零的水平线
  • 如果夸克是自旋 1/21/2 的费米子(真实物理情况),斜率将显著大于零,且满足 Callan-Gross 关系 2xMW1=νW22xM W_1 = \nu W_2
  • 此外,也可以通过测量纵向与横向截面比 R=σL/σTR = \sigma_L / \sigma_T 来检验。对于标量夸克,由于 σT0\sigma_T \to 0RR \to \infty;而实验实际测得 R0R \to 0,从而排除了标量夸克的假设。
32.5

Problem 32.5

schwarzChapter 32

习题 32.5

来源: 第32章, PDF第698页


32.5 Calculate the gggg \rightarrow gg splitting function by taking the collinear limit of gggggg \rightarrow gg scattering. You can use the cross section calculated in Chapter 27.

习题 32.5 - 解答


为了从 gggggg \rightarrow gg 散射的共线极限(collinear limit)中提取 gggg \rightarrow gg 的劈裂函数(splitting function)Pgg(z)P_{gg}(z),我们需要分析该过程的矩阵元平方在 t0t \rightarrow 0 时的极点行为,并将其与通用的共线因子化公式进行对比。

第一步:写出 gggggg \rightarrow gg 的矩阵元平方 根据第27章的计算结果,无极化、颜色平均的 gggggg \rightarrow gg 散射矩阵元平方为: M2=92gs4(3tus2sut2stu2)\overline{|\mathcal{M}|^2} = \frac{9}{2} g_s^4 \left( 3 - \frac{tu}{s^2} - \frac{su}{t^2} - \frac{st}{u^2} \right) 利用无质量粒子的 Mandelstam 变量关系 s+t+u=0s+t+u=0,我们可以对括号内的式子进行代数重写。首先通分并利用 s3+t3+u3=3stus^3+t^3+u^3 = 3stu 等恒等式,可以得到一个非常对称的形式: 3tus2sut2stu2=s4+t4+u4s2t2u2s2+t2+u223 - \frac{tu}{s^2} - \frac{su}{t^2} - \frac{st}{u^2} = \frac{s^4+t^4+u^4}{s^2 t^2 u^2} \frac{s^2+t^2+u^2}{2} 因此,矩阵元平方可以写为: M2=94gs4s4+t4+u4s2t2u2(s2+t2+u2)\overline{|\mathcal{M}|^2} = \frac{9}{4} g_s^4 \frac{s^4+t^4+u^4}{s^2 t^2 u^2} (s^2+t^2+u^2)

第二步:定义共线极限与动量分数 考虑 tt-通道的共线极限 t0t \rightarrow 0。此时初态胶子 p1p_1 劈裂为出射胶子 p3p_3 和交换的虚胶子 kk。 定义出射胶子 p3p_3 携带初态胶子 p1p_1 的动量分数为 1z1-z,即 p3(1z)p1p_3 \approx (1-z)p_1。那么进入硬散射过程的虚胶子 kk 携带的动量分数为 zz,即 kzp1k \approx z p_1。 在此极限下,Mandelstam 变量 uu 可以表示为: u=(p2p3)22p2p3=(1z)(2p1p2)=(1z)su = (p_2 - p_3)^2 \approx -2 p_2 \cdot p_3 = -(1-z) (2 p_1 \cdot p_2) = -(1-z)s 再结合 s+t+u=0s+t+u=0,我们有 t=s+uzs-t = s+u \approx zs。 因此,动量分数 zz1z1-z 可以用不变量精确表示为: z=ts,1z=usz = -\frac{t}{s}, \quad 1-z = -\frac{u}{s}

第三步:在共线极限下展开矩阵元 为了提取劈裂函数,我们需要将矩阵元平方分离出一个 1t\frac{1}{-t} 的极点。我们将矩阵元改写为: M2=1t[94gs4s4+t4+u4s2tus2+t2+u2u]\overline{|\mathcal{M}|^2} = \frac{1}{-t} \left[ \frac{9}{4} g_s^4 \frac{s^4+t^4+u^4}{s^2 t u} \frac{s^2+t^2+u^2}{-u} \right] 现在,我们将与动量分数相关的部分 s4+t4+u4s2tu\frac{s^4+t^4+u^4}{s^2 t u}zz 表达出来。代入 t=zst = -zsu=(1z)su = -(1-z)ss4+t4+u4s2tu=s4+z4s4+(1z)4s4s2(zs)((1z)s)=1+z4+(1z)4z(1z)\frac{s^4+t^4+u^4}{s^2 t u} = \frac{s^4 + z^4 s^4 + (1-z)^4 s^4}{s^2 (-zs) (-(1-z)s)} = \frac{1 + z^4 + (1-z)^4}{z(1-z)} 对于剩余的非奇异运动学因子 s2+t2+u2u\frac{s^2+t^2+u^2}{-u},在 t0t \rightarrow 0 极限下,有 usu \rightarrow -s,因此: s2+t2+u2ut0s2+0+s2s=2s\frac{s^2+t^2+u^2}{-u} \xrightarrow{t \rightarrow 0} \frac{s^2 + 0 + s^2}{s} = 2s 将这两部分组合起来,在共线极限下矩阵元平方渐近为: M21t94gs41+z4+(1z)4z(1z)(2s)\overline{|\mathcal{M}|^2} \simeq \frac{1}{-t} \frac{9}{4} g_s^4 \frac{1 + z^4 + (1-z)^4}{z(1-z)} (2s)

第四步:与通用因子化公式对比并提取 Pgg(z)P_{gg}(z) 在共线极限下,截面(或矩阵元平方)满足通用的因子化公式: M22gs2tPgg(z)Mhard2\overline{|\mathcal{M}|^2} \simeq \frac{2 g_s^2}{-t} P_{gg}(z) \overline{|\mathcal{M}_{\text{hard}}|^2} 我们将第三步得到的结果重组为符合上述因子化的形式: M22gs2t[31+z4+(1z)42z(1z)](34gs2s)\overline{|\mathcal{M}|^2} \simeq \frac{2 g_s^2}{-t} \left[ 3 \frac{1 + z^4 + (1-z)^4}{2 z(1-z)} \right] \left( \frac{3}{4} g_s^2 s \right) 由此可以识别出硬散射过程(gggg^* g \rightarrow g)的矩阵元平方为 Mhard2=34gs2s\overline{|\mathcal{M}_{\text{hard}}|^2} = \frac{3}{4} g_s^2 s,而方括号内的部分正是我们要求的劈裂函数 Pgg(z)P_{gg}(z)(注意对于 QCD,伴随表示的颜色因子 CA=3C_A = 3): Pgg(z)=31+z4+(1z)42z(1z)P_{gg}(z) = 3 \frac{1 + z^4 + (1-z)^4}{2 z(1-z)} 我们可以利用代数恒等式 1+z4+(1z)4=2[z2+(1z)2+z2(1z)2]1 + z^4 + (1-z)^4 = 2 \left[ z^2 + (1-z)^2 + z^2(1-z)^2 \right] 对其进行化简: Pgg(z)=3z2+(1z)2+z2(1z)2z(1z)=6(z1z+1zz+z(1z))P_{gg}(z) = 3 \frac{z^2 + (1-z)^2 + z^2(1-z)^2}{z(1-z)} = 6 \left( \frac{z}{1-z} + \frac{1-z}{z} + z(1-z) \right) 恢复通用的颜色因子 CA=3C_A=3,即得到标准的 Altarelli-Parisi 劈裂函数。

Pgg(z)=2CA(z1z+1zz+z(1z))\boxed{ P_{gg}(z) = 2 C_A \left( \frac{z}{1-z} + \frac{1-z}{z} + z(1-z) \right) }

32.6

Problem 32.6

schwarzChapter 32

习题 32.6

来源: 第32章, PDF第698页


32.6 Find the limits of integration on zz for t=pT2t = p_T^2 in the process γqqˉg\gamma^* \rightarrow q \bar{q} g discussed in Section 32.3. Then calculate P(t)P(t) and the Sudakov factor Δ(Q,t)\Delta(Q, t) explicitly. Repeat the exercise for t=m2t = m^2 and t=θt = \theta. Which part of the Sudakov factor is universal?

习题 32.6 - 解答


在过程 γqqˉg\gamma^* \rightarrow q \bar{q} g 中,夸克发射胶子的分裂函数为 Pqq(z)=CF1+z21zP_{qq}(z) = C_F \frac{1+z^2}{1-z}。Sudakov 因子 Δ(Q,t)\Delta(Q, t) 描述了从硬标度 Q2Q^2 演化到分辨率标度 tt 之间没有可分辨辐射的概率,其一般定义为: Δ(Q,t)=exp[tQ2dttP(t)],其中P(t)=zminzmaxdzαs2πPqq(z)\Delta(Q, t) = \exp\left[ - \int_t^{Q^2} \frac{dt'}{t'} P(t') \right], \quad \text{其中} \quad P(t') = \int_{z_{min}}^{z_{max}} dz \frac{\alpha_s}{2\pi} P_{qq}(z) 积分限 zminz_{min}zmaxz_{max} 由运动学边界或物理截断决定,且依赖于演化变量 tt 的选择。

1. 演化变量 t=pT2t = p_T^2

积分限分析: 在共线极限下,发射后夸克的虚度 m2m^2 与横动量 pTp_T 的关系为 m2pT2z(1z)m^2 \approx \frac{p_T^2}{z(1-z)}。 由于夸克的虚度受限于硬过程的中心能量,即 m2Q2m^2 \le Q^2,我们得到: pT2z(1z)Q2    z(1z)pT2Q2\frac{p_T^2}{z(1-z)} \le Q^2 \implies z(1-z) \ge \frac{p_T^2}{Q^2} 对于给定的演化标度 t=pT2t = p_T^2,这给出了 zz 的积分限(在小量 t/Q2t/Q^2 展开下): zmin=tQ2,zmax=1tQ2\boxed{ z_{min} = \frac{t}{Q^2}, \quad z_{max} = 1 - \frac{t}{Q^2} }

计算 P(t)P(t) 将分裂函数代入并积分,利用对称性令截断参数 ϵ=t/Q2\epsilon = t/Q^2P(t)=αsCF2πϵ1ϵdz(21z1z)P(t) = \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \int_{\epsilon}^{1-\epsilon} dz \left( \frac{2}{1-z} - 1 - z \right) ϵ1ϵdz(21z1z)=[2ln(1z)zz22]ϵ1ϵ2lnϵ32=2lnQ2t32\int_{\epsilon}^{1-\epsilon} dz \left( \frac{2}{1-z} - 1 - z \right) = \left[ -2 \ln(1-z) - z - \frac{z^2}{2} \right]_{\epsilon}^{1-\epsilon} \approx -2 \ln \epsilon - \frac{3}{2} = 2 \ln\frac{Q^2}{t} - \frac{3}{2} 因此: P(t)=αsCF2π(2lnQ2t32)\boxed{ P(t) = \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \left( 2 \ln\frac{Q^2}{t} - \frac{3}{2} \right) }

计算 Sudakov 因子 Δ(Q,t)\Delta(Q, t) tQ2dttP(t)=αsCF2πtQ2dtt(2lnQ2t32)\int_t^{Q^2} \frac{dt'}{t'} P(t') = \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \int_t^{Q^2} \frac{dt'}{t'} \left( 2 \ln\frac{Q^2}{t'} - \frac{3}{2} \right)u=ln(Q2/t)u = \ln(Q^2/t'),则 du=dt/tdu = -dt'/t',积分变为 0ln(Q2/t)(2u3/2)du=ln2Q2t32lnQ2t\int_0^{\ln(Q^2/t)} (2u - 3/2) du = \ln^2\frac{Q^2}{t} - \frac{3}{2} \ln\frac{Q^2}{t}Δ(Q,t)=exp[αsCF2π(ln2Q2t32lnQ2t)]\boxed{ \Delta(Q, t) = \exp\left[ - \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \left( \ln^2\frac{Q^2}{t} - \frac{3}{2} \ln\frac{Q^2}{t} \right) \right] }


2. 演化变量 t=m2t = m^2

积分限分析: 利用精确的相空间变量 xi=2Ei/Qx_i = 2E_i/Q,夸克虚度为 m2=Q2(1x2)m^2 = Q^2(1-x_2),动量分数为 z=x12x2z = \frac{x_1}{2-x_2}。 由相空间边界 x11x_1 \le 1x31x_3 \le 1(即 1z12x21-z \le \frac{1}{2-x_2}),我们得到: z12x2=11+m2/Q21m2Q2z \le \frac{1}{2-x_2} = \frac{1}{1 + m^2/Q^2} \approx 1 - \frac{m^2}{Q^2} 1z11+m2/Q21m2Q2    zm2Q21-z \le \frac{1}{1 + m^2/Q^2} \approx 1 - \frac{m^2}{Q^2} \implies z \ge \frac{m^2}{Q^2} 代入 t=m2t = m^2,积分限与 pT2p_T^2 演化完全相同: zmin=tQ2,zmax=1tQ2\boxed{ z_{min} = \frac{t}{Q^2}, \quad z_{max} = 1 - \frac{t}{Q^2} }

计算 P(t)P(t)Δ(Q,t)\Delta(Q, t) 由于积分限相同,积分结果在领头对数近似下完全一致: P(t)=αsCF2π(2lnQ2t32)\boxed{ P(t) = \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \left( 2 \ln\frac{Q^2}{t} - \frac{3}{2} \right) } Δ(Q,t)=exp[αsCF2π(ln2Q2t32lnQ2t)]\boxed{ \Delta(Q, t) = \exp\left[ - \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \left( \ln^2\frac{Q^2}{t} - \frac{3}{2} \ln\frac{Q^2}{t} \right) \right] }


3. 演化变量 t=θt = \theta (或 t=θ2t = \theta^2

积分限分析: 在角排序中,横动量与发射角的关系为 pTQ2θz(1z)p_T \approx \frac{Q}{2} \theta z(1-z)。 对于固定的 θ\theta,硬标度 Q2Q^2 无法提供截断软发散(z1z \to 1)的下界(纯运动学给出 0z10 \le z \le 1)。必须引入物理的红外截断,通常要求胶子具有最小横动量 pT>Λp_T > \LambdaQ2θz(1z)>Λ    z(1z)>2ΛQθ\frac{Q}{2} \theta z(1-z) > \Lambda \implies z(1-z) > \frac{2\Lambda}{Q\theta} 这给出了依赖于 θ\theta 的积分限: zmin=2ΛQθ,zmax=12ΛQθ\boxed{ z_{min} = \frac{2\Lambda}{Q\theta}, \quad z_{max} = 1 - \frac{2\Lambda}{Q\theta} }

计算 P(θ)P(\theta) 代入截断 ϵ=2ΛQθ\epsilon = \frac{2\Lambda}{Q\theta} 进行积分: P(θ)=αsCF2π(2lnϵ32)=αsCF2π(2lnQθ2Λ32)\boxed{ P(\theta) = \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \left( -2 \ln\epsilon - \frac{3}{2} \right) = \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \left( 2 \ln\frac{Q\theta}{2\Lambda} - \frac{3}{2} \right) }

计算 Sudakov 因子 Δ(Q,θ)\Delta(Q, \theta) 演化变量为 t=θ2t = \theta^2,测度为 dtt=2dθθ\frac{dt}{t} = \frac{2 d\theta}{\theta}。从最大角度 θmax1\theta_{max} \approx 1 演化到 θ\thetaθ12dθθP(θ)=αsCF2πθ1dθθ(4lnθ+4lnQ2Λ3)\int_{\theta}^1 \frac{2 d\theta'}{\theta'} P(\theta') = \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \int_{\theta}^1 \frac{d\theta'}{\theta'} \left( 4 \ln\theta' + 4 \ln\frac{Q}{2\Lambda} - 3 \right) 积分得到: [2ln2θ+(4lnQ2Λ3)lnθ]θ1=2ln2θ(4lnQ2Λ3)lnθ\left[ 2 \ln^2\theta' + \left(4 \ln\frac{Q}{2\Lambda} - 3\right) \ln\theta' \right]_{\theta}^1 = -2 \ln^2\theta - \left(4 \ln\frac{Q}{2\Lambda} - 3\right) \ln\theta Δ(Q,θ)=exp[αsCF2π(2ln2θ(4lnQ2Λ3)lnθ)]\boxed{ \Delta(Q, \theta) = \exp\left[ - \frac{\alpha_s C_F}{2\pi} \left( -2 \ln^2\theta - \left(4 \ln\frac{Q}{2\Lambda} - 3\right) \ln\theta \right) \right] }


4. Sudakov 因子的普适性分析

对比上述三种演化变量下的 Sudakov 因子:

  1. 双对数项(Double Logarithm)是普适的: 在所有情况中,Sudakov 因子的指数上都存在一个由软-共线重叠发散主导的 O(αsln2())\mathcal{O}(\alpha_s \ln^2(\dots)) 项。无论选择 pT2p_T^2m2m^2 还是 θ\theta 作为演化变量,只要将它们统一映射到相同的物理截断相空间,双对数项的系数和形式是完全一致的。它反映了 QCD 辐射在软和共线极限下的基本红外结构。
  2. 单对数项(Single Logarithm)是非普适的: 带有系数 3/2-3/2 的单对数项(源于硬共线辐射,即分裂函数中非奇异的 1z-1-z 部分)依赖于演化变量 tt 的具体选择以及相空间边界的精确定义。例如,pT2p_T^2m2m^2 演化给出了相同的单对数项,但在 θ\theta 演化中,由于相空间截断方式(pT>Λp_T > \Lambda)与角度的耦合,单对数项的形式发生了改变。
32.7

Problem 32.7

schwarzChapter 32

习题 32.7

来源: 第32章, PDF第698页


32.7 In this problem, you will show that QQ \rightarrow \infty at fixed ω=2PqQ2\omega = \frac{2P \cdot q}{Q^2} or equivalently fixed χ2mpω\chi \equiv \frac{2m_p}{\omega} implies that J(xμ)J(0)J(x^\mu)J(0) is dominated by the lightcone, where xμ20x_\mu^2 \rightarrow 0. (a) In the proton rest frame, show that

qμxμ=ωQ22mp(x0r)mpωr+O(1Q2),(32.119)q^\mu x_\mu = \frac{\omega Q^2}{2m_p} (x^0 - r) - \frac{m_p}{\omega} r + \mathcal{O} \left( \frac{1}{Q^2} \right), \tag{32.119}

where rqxqr \equiv \frac{\vec{q} \cdot \vec{x}}{|\vec{q}|}. (b) Use the method of stationary phase to show that at fixed ω\omega, WμνW^{\mu\nu}, in the form of Eq. (32.78), is dominated by x0rc1Q2|x^0 - r| \le \frac{c_1}{Q^2} and rc1r \le c_1 for two constants c1c_1 and c2c_2 as QQ \rightarrow \infty. (c) Show that x2constQ2x^2 \le \frac{\text{const}}{Q^2} and therefore that J(xμ)J(0)J(x^\mu)J(0) is dominated by lightlike separations in the DIS limit.

Referenced Equations:

Equation (32.78):

Wμν(ω,Q)=XdΠXd4xeiqxPJμ(x)XXJν(0)P=d4xeiqxPJμ(x)Jν(0)P.\begin{align} W_{\mu \nu}(\omega, Q) & =\sum_{X} \int d \Pi_{X} \int d^{4} x e^{i q \cdot x}\langle P|J_{\mu}(x)| X\rangle\langle X|J_{\nu}(0)| P\rangle \\ & =\int d^{4} x e^{i q \cdot x}\langle P|J_{\mu}(x) J_{\nu}(0)| P\rangle . \tag{32.78} \\ \end{align}

习题 32.7 - 解答


(a) 在质子静止系中,质子的四维动量为 Pμ=(mp,0)P^\mu = (m_p, \vec{0}),虚光子的四维动量为 qμ=(q0,q)q^\mu = (q^0, \vec{q})。 根据不变量的定义,有 Q2=q2=q2(q0)2Q^2 = -q^2 = |\vec{q}|^2 - (q^0)^2。 由标度变量 ω=2PqQ2\omega = \frac{2P \cdot q}{Q^2},代入质子静止系下的动量可得: ω=2mpq0Q2    q0=ωQ22mp\omega = \frac{2m_p q^0}{Q^2} \implies q^0 = \frac{\omega Q^2}{2m_p} 利用 Q2=q2(q0)2Q^2 = |\vec{q}|^2 - (q^0)^2,可以解出虚光子的三维动量大小 q|\vec{q}|q=Q2+(q0)2=Q2+(ωQ22mp)2=ωQ22mp1+4mp2ω2Q2|\vec{q}| = \sqrt{Q^2 + (q^0)^2} = \sqrt{Q^2 + \left(\frac{\omega Q^2}{2m_p}\right)^2} = \frac{\omega Q^2}{2m_p} \sqrt{1 + \frac{4m_p^2}{\omega^2 Q^2}} 在深度非弹性散射(DIS)极限下,Q2Q^2 \to \inftyω\omega 固定,我们可以对平方根进行泰勒展开 1+x=1+x2+O(x2)\sqrt{1+x} = 1 + \frac{x}{2} + \mathcal{O}(x^2)q=ωQ22mp(1+2mp2ω2Q2+O(1Q4))=ωQ22mp+mpω+O(1Q2)|\vec{q}| = \frac{\omega Q^2}{2m_p} \left( 1 + \frac{2m_p^2}{\omega^2 Q^2} + \mathcal{O}\left(\frac{1}{Q^4}\right) \right) = \frac{\omega Q^2}{2m_p} + \frac{m_p}{\omega} + \mathcal{O}\left(\frac{1}{Q^2}\right) 接下来计算相位 qxq \cdot x。定义 rqxqr \equiv \frac{\vec{q} \cdot \vec{x}}{|\vec{q}|},则 qx=qr\vec{q} \cdot \vec{x} = |\vec{q}| r。因此: qx=q0x0qx=q0x0qrq \cdot x = q^0 x^0 - \vec{q} \cdot \vec{x} = q^0 x^0 - |\vec{q}| rq0q^0q|\vec{q}| 的表达式代入上式: qx=ωQ22mpx0(ωQ22mp+mpω+O(1Q2))rq \cdot x = \frac{\omega Q^2}{2m_p} x^0 - \left( \frac{\omega Q^2}{2m_p} + \frac{m_p}{\omega} + \mathcal{O}\left(\frac{1}{Q^2}\right) \right) r 整理后即得: qμxμ=ωQ22mp(x0r)mpωr+O(1Q2)\boxed{ q^\mu x_\mu = \frac{\omega Q^2}{2m_p} (x^0 - r) - \frac{m_p}{\omega} r + \mathcal{O} \left( \frac{1}{Q^2} \right) }

(b) 强子张量 WμνW_{\mu\nu} 的积分表达式中包含振荡相位因子 eiqxe^{i q \cdot x}。将 (a) 中的结果代入,相位因子可写为: eiqxexp[iωQ22mp(x0r)]exp[impωr]e^{i q \cdot x} \approx \exp\left[ i \frac{\omega Q^2}{2m_p} (x^0 - r) \right] \exp\left[ -i \frac{m_p}{\omega} r \right] 在固定 ω\omegaQ2Q^2 \to \infty 的极限下,第一项的系数 ωQ22mp\frac{\omega Q^2}{2m_p} 趋于无穷大。根据稳相法(或黎曼-勒贝格引理),随着 Q2Q^2 的增大,该指数项会随变量 (x0r)(x^0 - r) 发生极其剧烈的振荡,导致积分相互抵消而趋于零,除非共轭变量 (x0r)(x^0 - r) 足够小,使得相位变化 O(1)\lesssim \mathcal{O}(1)。因此,积分的主要贡献区域被严格限制在: x0r2mpωQ2|x^0 - r| \lesssim \frac{2m_p}{\omega Q^2} 即存在常数 c1c_1,使得 x0rc1Q2\boxed{|x^0 - r| \le \frac{c_1}{Q^2}}

对于变量 rr,其在相位中的共轭系数为 mpω\frac{m_p}{\omega},该系数在 Q2Q^2 \to \infty 时保持常数,因此不会引起随 Q2Q^2 增长的剧烈振荡。对 rr 的限制来源于强子矩阵元 PJμ(x)Jν(0)P\langle P|J_{\mu}(x) J_{\nu}(0)| P\rangle 本身的物理性质:质子在静止系下具有有限的空间大小(由禁闭尺度决定,半径 Rp1/mπR_p \sim 1/m_\pi)。当空间距离 rr 远大于质子半径时,矩阵元呈指数衰减。因此,积分在空间方向上被质子的有限大小所主导,即存在常数 c2Rpc_2 \sim R_p,使得 rc2\boxed{r \le c_2}

(c) 四维坐标的平方不变间距为 x2=(x0)2x2x^2 = (x^0)^2 - |\vec{x}|^2。 将空间坐标 x\vec{x} 分解为平行于 q\vec{q} 的分量 rr 和垂直于 q\vec{q} 的横向分量 x\vec{x}_\perp,则 x2=r2+x2|\vec{x}|^2 = r^2 + |\vec{x}_\perp|^2。代入 x2x^2 中得到: x2=(x0)2r2x2=(x0r)(x0+r)x2x^2 = (x^0)^2 - r^2 - |\vec{x}_\perp|^2 = (x^0 - r)(x^0 + r) - |\vec{x}_\perp|^2 利用 (b) 中得到的边界条件 x0rc1Q2|x^0 - r| \le \frac{c_1}{Q^2}rc2r \le c_2,我们可以放缩 x0+rx^0 + rx0+r=(x0r)+2rc1Q2+2c2x^0 + r = (x^0 - r) + 2r \le \frac{c_1}{Q^2} + 2c_2 因此,第一项的乘积满足: (x0r)(x0+r)c1Q2(c1Q2+2c2)=2c1c2Q2+O(1Q4)(x^0 - r)(x^0 + r) \le \frac{c_1}{Q^2} \left( \frac{c_1}{Q^2} + 2c_2 \right) = \frac{2c_1 c_2}{Q^2} + \mathcal{O}\left(\frac{1}{Q^4}\right) 由于横向分量的平方非负(x20|\vec{x}_\perp|^2 \ge 0),我们得到 x2x^2 的上界: x2(x0r)(x0+r)2c1c2Q2x^2 \le (x^0 - r)(x^0 + r) \le \frac{2c_1 c_2}{Q^2}x2constQ2\boxed{x^2 \le \frac{\text{const}}{Q^2}}

另一方面,强子张量 WμνW_{\mu\nu} 实际上是流对易子 P[Jμ(x),Jν(0)]P\langle P|[J_{\mu}(x), J_{\nu}(0)]| P\rangle 的傅里叶变换(因为非物理的能量转移项在运动学上被禁止)。根据微观因果性(Microcausality),当两个时空点处于类空间隔(x2<0x^2 < 0)时,流算符必须对易,即矩阵元严格为零。因此,积分域被因果性限制在 x20x^2 \ge 0。 结合上下界,我们得到: 0x2constQ20 \le x^2 \le \frac{\text{const}}{Q^2} 在 DIS 极限(Q2Q^2 \to \infty)下,上界趋于零,这迫使 x20\boxed{x^2 \to 0}。这证明了在深度非弹性散射极限下,流算符乘积 J(xμ)J(0)J(x^\mu)J(0) 的贡献完全由类光间隔(光锥,Lightcone)主导。

32.8

Problem 32.8

schwarzChapter 32

习题 32.8

来源: 第32章, PDF第698,699页


32.8 Relating imaginary parts to discontinuities. The goal of this problem is to verify Eq. (32.83). (a) By expanding the time ordering in terms of θ(t)\theta(t) and θ(t)\theta(-t) show that TμνT^{\mu\nu} as in Eq. (32.81) can be written as

Tμν(ω,Q)=X(2π)3δ3(pXqP)pX0p0q0iεp+Jμ(0)XXJν(0)p++X(2π)3δ3(pX+qP)pX0p0+q0iεp+Jμ(0)XXJν(0)p+.(32.120)\begin{aligned} T_{\mu\nu}(\omega, Q) &= \sum_X \frac{(2\pi)^3 \delta^3(\vec{p}_X - \vec{q} - \vec{P})}{p_X^0 - p^0 - q^0 - i\varepsilon} \langle p^+ | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | p^+ \rangle \\ &\quad + \sum_X \frac{(2\pi)^3 \delta^3(\vec{p}_X + \vec{q} - \vec{P})}{p_X^0 - p^0 + q^0 - i\varepsilon} \langle p^+ | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | p^+ \rangle. \end{aligned} \tag{32.120}

You may want to use θ(t)=12πidssiεeist\theta(t) = \frac{1}{2\pi i} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{ds}{s-i\varepsilon} e^{ist}.

(b) Use part (a) to show that one of the terms above does not contribute to the discontinuity in the physical region and that Wμν=iDiscTμνW_{\mu\nu} = -i \operatorname{Disc} T_{\mu\nu}.

Referenced Equations:

Equation (32.81):

Tμν(ω,Q)=id4xeiqxP|T{Jμ(x)Jν(0)}|P.(32.81)T_{\mu \nu}(\omega, Q)=i \int d^{4} x e^{i q \cdot x}\left\langle P\middle|T\left\{J_{\mu}(x) J_{\nu}(0)\right\}\middle| P\right\rangle . \tag{32.81}

Equation (32.83):

Wμν(ω,Q)=2ImTμν(ω,Q)=iTμν(ω+iε,Q)+iTμν(ωiε,Q)=Disc(iTμν),(32.83)W_{\mu\nu}(\omega, Q) = 2 \text{Im} T_{\mu\nu}(\omega, Q) = -i T_{\mu\nu}(\omega + i\varepsilon, Q) + i T_{\mu\nu}(\omega - i\varepsilon, Q) = \text{Disc}(-i T_{\mu\nu}), \tag{32.83}

习题 32.8 - 解答


(a) 展开时间序并推导 TμνT_{\mu\nu} 的表达式

根据定义,前向康普顿散射振幅 TμνT_{\mu\nu} 由下式给出:

Tμν(ω,Q)=id4xeiqxPT{Jμ(x)Jν(0)}PT_{\mu\nu}(\omega, Q) = i \int d^4x e^{iq\cdot x} \langle P | T\{J_\mu(x) J_\nu(0)\} | P \rangle

将时间序乘积 T{Jμ(x)Jν(0)}T\{J_\mu(x) J_\nu(0)\} 用阶跃函数 θ(t)\theta(t) 展开:

T{Jμ(x)Jν(0)}=θ(x0)Jμ(x)Jν(0)+θ(x0)Jν(0)Jμ(x)T\{J_\mu(x) J_\nu(0)\} = \theta(x^0) J_\mu(x) J_\nu(0) + \theta(-x^0) J_\nu(0) J_\mu(x)

在两个流算符之间插入完备态求和 XXX=1\sum_X |X\rangle \langle X| = 1,并利用平移不变性 Jμ(x)=eiP^xJμ(0)eiP^xJ_\mu(x) = e^{i\hat{P}\cdot x} J_\mu(0) e^{-i\hat{P}\cdot x} 提取时空依赖关系:

PJμ(x)Jν(0)P=Xei(PpX)xPJμ(0)XXJν(0)P\langle P | J_\mu(x) J_\nu(0) | P \rangle = \sum_X e^{i(P - p_X)\cdot x} \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle
PJν(0)Jμ(x)P=Xei(pXP)xPJν(0)XXJμ(0)P\langle P | J_\nu(0) J_\mu(x) | P \rangle = \sum_X e^{i(p_X - P)\cdot x} \langle P | J_\nu(0) | X \rangle \langle X | J_\mu(0) | P \rangle

接下来,代入阶跃函数的积分表示:

θ(x0)=12πidssiεeisx0,θ(x0)=12πidssiεeisx0\theta(x^0) = \frac{1}{2\pi i} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{ds}{s - i\varepsilon} e^{isx^0}, \quad \theta(-x^0) = \frac{1}{2\pi i} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{ds}{s - i\varepsilon} e^{-isx^0}

对于第一项 Tμν(1)T_{\mu\nu}^{(1)}(对应 θ(x0)\theta(x^0)):

Tμν(1)=id4xeiqx(12πidssiεeisx0)Xei(PpX)xPJμ(0)XXJν(0)P=12πXdssiεd4xei(q0+s+p0pX0)x0i(q+PpX)xPJμ(0)XXJν(0)P=12πXdssiε(2π)4δ(q0+s+p0pX0)δ3(pXqP)PJμ(0)XXJν(0)P\begin{aligned} T_{\mu\nu}^{(1)} &= i \int d^4x e^{iq\cdot x} \left( \frac{1}{2\pi i} \int \frac{ds}{s - i\varepsilon} e^{isx^0} \right) \sum_X e^{i(P - p_X)\cdot x} \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle \\ &= \frac{1}{2\pi} \sum_X \int \frac{ds}{s - i\varepsilon} \int d^4x e^{i(q^0 + s + p^0 - p_X^0)x^0 - i(\vec{q} + \vec{P} - \vec{p}_X)\cdot \vec{x}} \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle \\ &= \frac{1}{2\pi} \sum_X \int \frac{ds}{s - i\varepsilon} (2\pi)^4 \delta(q^0 + s + p^0 - p_X^0) \delta^3(\vec{p}_X - \vec{q} - \vec{P}) \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle \end{aligned}

利用 δ\delta 函数对 ss 积分,此时 s=pX0p0q0s = p_X^0 - p^0 - q^0,得到:

Tμν(1)=X(2π)3δ3(pXqP)pX0p0q0iεPJμ(0)XXJν(0)PT_{\mu\nu}^{(1)} = \sum_X \frac{(2\pi)^3 \delta^3(\vec{p}_X - \vec{q} - \vec{P})}{p_X^0 - p^0 - q^0 - i\varepsilon} \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle

对于第二项 Tμν(2)T_{\mu\nu}^{(2)}(对应 θ(x0)\theta(-x^0)):

Tμν(2)=id4xeiqx(12πidssiεeisx0)Xei(pXP)xPJν(0)XXJμ(0)P=12πXdssiεd4xei(q0s+pX0p0)x0i(q+pXP)xPJν(0)XXJμ(0)P=12πXdssiε(2π)4δ(q0s+pX0p0)δ3(pX+qP)PJν(0)XXJμ(0)P\begin{aligned} T_{\mu\nu}^{(2)} &= i \int d^4x e^{iq\cdot x} \left( \frac{1}{2\pi i} \int \frac{ds}{s - i\varepsilon} e^{-isx^0} \right) \sum_X e^{i(p_X - P)\cdot x} \langle P | J_\nu(0) | X \rangle \langle X | J_\mu(0) | P \rangle \\ &= \frac{1}{2\pi} \sum_X \int \frac{ds}{s - i\varepsilon} \int d^4x e^{i(q^0 - s + p_X^0 - p^0)x^0 - i(\vec{q} + \vec{p}_X - \vec{P})\cdot \vec{x}} \langle P | J_\nu(0) | X \rangle \langle X | J_\mu(0) | P \rangle \\ &= \frac{1}{2\pi} \sum_X \int \frac{ds}{s - i\varepsilon} (2\pi)^4 \delta(q^0 - s + p_X^0 - p^0) \delta^3(\vec{p}_X + \vec{q} - \vec{P}) \langle P | J_\nu(0) | X \rangle \langle X | J_\mu(0) | P \rangle \end{aligned}

利用 δ\delta 函数对 ss 积分,此时 s=pX0p0+q0s = p_X^0 - p^0 + q^0,得到:

Tμν(2)=X(2π)3δ3(pX+qP)pX0p0+q0iεPJν(0)XXJμ(0)PT_{\mu\nu}^{(2)} = \sum_X \frac{(2\pi)^3 \delta^3(\vec{p}_X + \vec{q} - \vec{P})}{p_X^0 - p^0 + q^0 - i\varepsilon} \langle P | J_\nu(0) | X \rangle \langle X | J_\mu(0) | P \rangle

Tμν(1)T_{\mu\nu}^{(1)}Tμν(2)T_{\mu\nu}^{(2)} 相加,即得目标公式(注:在非极化散射中强子张量关于 μν\mu \leftrightarrow \nu 对称,因此第二项中的矩阵元 PJνXXJμP\langle P | J_\nu | X \rangle \langle X | J_\mu | P \rangle 等价于题目给出的形式):

Tμν(ω,Q)=X(2π)3δ3(pXqP)pX0p0q0iεPJμ(0)XXJν(0)P+X(2π)3δ3(pX+qP)pX0p0+q0iεPJν(0)XXJμ(0)P\boxed{ \begin{aligned} T_{\mu\nu}(\omega, Q) &= \sum_X \frac{(2\pi)^3 \delta^3(\vec{p}_X - \vec{q} - \vec{P})}{p_X^0 - p^0 - q^0 - i\varepsilon} \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle \\ &\quad + \sum_X \frac{(2\pi)^3 \delta^3(\vec{p}_X + \vec{q} - \vec{P})}{p_X^0 - p^0 + q^0 - i\varepsilon} \langle P | J_\nu(0) | X \rangle \langle X | J_\mu(0) | P \rangle \end{aligned} }

(b) 物理区域内的不连续性与 WμνW_{\mu\nu}

根据定义,不连续性算符作用于 iTμν-i T_{\mu\nu} 为:

Disc(iTμν)=iTμν(ω+iε)+iTμν(ωiε)\text{Disc}(-i T_{\mu\nu}) = -i T_{\mu\nu}(\omega + i\varepsilon) + i T_{\mu\nu}(\omega - i\varepsilon)

利用复分析中的恒等式 1xiε1x+iε=2πiδ(x)\frac{1}{x - i\varepsilon} - \frac{1}{x + i\varepsilon} = 2\pi i \delta(x),我们可以求出能量分母的不连续性:

i(1xiε)+i(1x+iε)=i(1xiε1x+iε)=2πδ(x)-i \left( \frac{1}{x - i\varepsilon} \right) + i \left( \frac{1}{x + i\varepsilon} \right) = -i \left( \frac{1}{x - i\varepsilon} - \frac{1}{x + i\varepsilon} \right) = 2\pi \delta(x)

将其应用到 (a) 中求得的 TμνT_{\mu\nu} 的两项上,得到:

Disc(iTμν)=X2πδ(pX0p0q0)(2π)3δ3(pXqP)PJμ(0)XXJν(0)P+X2πδ(pX0p0+q0)(2π)3δ3(pX+qP)PJν(0)XXJμ(0)P=X(2π)4δ4(pXPq)PJμ(0)XXJν(0)P+X(2π)4δ4(pXP+q)PJν(0)XXJμ(0)P\begin{aligned} \text{Disc}(-i T_{\mu\nu}) &= \sum_X 2\pi \delta(p_X^0 - p^0 - q^0) (2\pi)^3 \delta^3(\vec{p}_X - \vec{q} - \vec{P}) \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle \\ &\quad + \sum_X 2\pi \delta(p_X^0 - p^0 + q^0) (2\pi)^3 \delta^3(\vec{p}_X + \vec{q} - \vec{P}) \langle P | J_\nu(0) | X \rangle \langle X | J_\mu(0) | P \rangle \\ &= \sum_X (2\pi)^4 \delta^4(p_X - P - q) \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle \\ &\quad + \sum_X (2\pi)^4 \delta^4(p_X - P + q) \langle P | J_\nu(0) | X \rangle \langle X | J_\mu(0) | P \rangle \end{aligned}

运动学分析(物理区域): 在深度非弹性散射(DIS)的物理区域中,初态质子静止,质量为 MM(即 P2=M2P^2 = M^2),虚光子传递的能量 q0=ω>0q^0 = \omega > 0,且 q2=Q2<0q^2 = -Q^2 < 0。 对于第二项,四维动量守恒 δ4(pXP+q)\delta^4(p_X - P + q) 要求中间态 XX 的动量为 pX=Pqp_X = P - q。其不变质量平方为:

pX2=(Pq)2=M22Pq+q2=M22MωQ2p_X^2 = (P - q)^2 = M^2 - 2P\cdot q + q^2 = M^2 - 2M\omega - Q^2

因为 ω>0\omega > 0Q2>0Q^2 > 0,必然有 pX2<M2p_X^2 < M^2。然而,电磁流 JμJ_\mu 守恒重子数,中间态 X|X\rangle 必须具有与质子相同的重子数,其质量不可能低于质子质量 MM。因此,不存在任何物理态 X|X\rangle 能够满足第二项的 δ\delta 函数条件,第二项在物理区域内严格为零。

结论: 第二项不产生贡献,不连续性完全由第一项给出:

Disc(iTμν)=X(2π)4δ4(pXPq)PJμ(0)XXJν(0)P\text{Disc}(-i T_{\mu\nu}) = \sum_X (2\pi)^4 \delta^4(p_X - P - q) \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle

这恰好是强子张量 WμνW_{\mu\nu} 的标准定义(即流算符乘积的傅里叶变换):

Wμν=d4xeiqxPJμ(x)Jν(0)P=X(2π)4δ4(pXPq)PJμ(0)XXJν(0)PW_{\mu\nu} = \int d^4x e^{iq\cdot x} \langle P | J_\mu(x) J_\nu(0) | P \rangle = \sum_X (2\pi)^4 \delta^4(p_X - P - q) \langle P | J_\mu(0) | X \rangle \langle X | J_\nu(0) | P \rangle

因此,我们证明了:

Wμν=Disc(iTμν)=iDiscTμν\boxed{ W_{\mu\nu} = \text{Disc}(-i T_{\mu\nu}) = -i \text{Disc} T_{\mu\nu} }
32.9

Problem 32.9

schwarzChapter 32

习题 32.9

来源: 第32章, PDF第699页


32.9 Show that current conservation implies a sum rule for each flavor in QCD using spin-1 operators in the OPE, as we did for spin 2 in Section 32.4.4.

习题 32.9 - 解答


在深度非弹性散射(DIS)的算符乘积展开(OPE)中,对于给定的夸克味 ff,自旋为 nn 的 twist-2(扭度为2)算符定义为: Ofμ1μn=qˉfγμ1iDμ2iDμnqfO_f^{\mu_1 \dots \mu_n} = \bar{q}_f \gamma^{\mu_1} i D^{\mu_2} \dots i D^{\mu_n} q_f

对于自旋 n=1n=1 的情况,该算符退化为夸克味 ff 的矢量流(Vector current): Ofμ=qˉfγμqfO_f^\mu = \bar{q}_f \gamma^\mu q_f

根据部分子模型与 OPE 的对应关系,自旋为 nn 的 twist-2 算符在动量为 PP 的强子态(如质子)中的矩阵元,可以由部分子分布函数(PDFs)f(x)f(x) 和反部分子分布函数 fˉ(x)\bar{f}(x) 的 Mellin 矩来参数化: POfμ1μnP=2Pμ1Pμn01dxxn1[f(x)+(1)nfˉ(x)]\langle P | O_f^{\mu_1 \dots \mu_n} | P \rangle = 2 P^{\mu_1} \dots P^{\mu_n} \int_0^1 dx \, x^{n-1} [f(x) + (-1)^n \bar{f}(x)]n=1n=1 代入上式,得到自旋为 1 的算符矩阵元: POfμP=2Pμ01dx[f(x)fˉ(x)]\langle P | O_f^\mu | P \rangle = 2 P^\mu \int_0^1 dx \, [f(x) - \bar{f}(x)]

在量子色动力学(QCD)中,强相互作用拉格朗日量对每一种夸克味的全局 U(1)U(1) 相位变换都是不变的。根据诺特定理(Noether's theorem),这种对称性意味着夸克味矢量流 OfμO_f^\mu 是严格守恒的: μOfμ=0\partial_\mu O_f^\mu = 0

由于 OfμO_f^\mu 是一个守恒流,它受到代数结构的保护而不需要进行无穷大重整化。因此,它的反常标度维数严格为零(γ1=0\gamma_1 = 0)。这意味着它的矩阵元不依赖于重整化能标 μ\mu,并且在演化过程中不会与其他算符发生混合(此外,纯胶子场无法构造出规范不变的自旋为 1 的 twist-2 算符)。

与该守恒流对应的守恒荷是净夸克味数算符: Qf=d3xOf0(x)=d3xqfqfQ_f = \int d^3x \, O_f^0(x) = \int d^3x \, q_f^\dagger q_f 对于采用标准相对论归一化 PP=(2π)32P0δ3(PP)\langle P' | P \rangle = (2\pi)^3 2 P^0 \delta^3(\vec{P}' - \vec{P}) 的质子态 P|P\rangleQfQ_f 的本征值即为该强子中味为 ff 的净价夸克数,记为 NfN_f。由洛伦兹协变性和电荷守恒,该流的精确宏观矩阵元被完全固定为: POfμP=2PμNf\langle P | O_f^\mu | P \rangle = 2 P^\mu N_f

将 OPE/部分子模型给出的矩阵元表达式与精确的宏观矩阵元等立,我们得到: 2Pμ01dx[f(x)fˉ(x)]=2PμNf2 P^\mu \int_0^1 dx \, [f(x) - \bar{f}(x)] = 2 P^\mu N_f

消去两侧的运动学因子 2Pμ2 P^\mu,即可得到每种夸克味必须满足的求和规则(Sum Rule): 01dx[f(x)fˉ(x)]=Nf\boxed{ \int_0^1 dx \, [f(x) - \bar{f}(x)] = N_f }

物理结论:正如自旋为 2 的算符(能量动量张量)守恒导出了动量求和规则,自旋为 1 的算符(夸克味矢量流)守恒直接导出了价夸克数求和规则(Valence Quark Sum Rule)。例如对于质子,该求和规则给出了熟知的 01dx[u(x)uˉ(x)]=2\int_0^1 dx [u(x) - \bar{u}(x)] = 2 以及 01dx[d(x)dˉ(x)]=1\int_0^1 dx [d(x) - \bar{d}(x)] = 1