习题 45.2 - 解答
物理背景与约定说明
本题要求使用费曼规则写出树图阶(tree level)的散射振幅 iT。根据 Srednicki《Quantum Field Theory》第45章的上下文,这里涉及的是狄拉克费米子(电子 e)与实标量场(φ)之间的汤川相互作用(Yukawa interaction)。
相互作用拉格朗日量为:
Lint=gφΨˉΨ
采用 Srednicki 的度规约定 (−,+,+,+) 以及相应的费曼规则:
- 顶点:每个相互作用顶点贡献 ig。
- 标量传播子:q2+M2−i (设标量场质量为 M)。
- 费米子传播子:q2+m2−i(−q+m) (设费米子质量为 m)。
- 外线费米子:
- 入射 e−:u(p);出射 e−:uˉ(p)
- 入射 e+:vˉ(p);出射 e+:v(p)
- 旋量书写顺序:逆着费米子线上的箭头方向(即逆着粒子数流向)进行书写。
(1) 过程 e+e+→e+e+
设入射正电子的动量为 p1,p2,出射正电子的动量为 p1′,p2′。
在树图阶,该过程由两个费曼图贡献:t-通道和 u-通道。由于初态和末态包含全同费米子,交换两个出射正电子会引入一个相对负号(费米-狄拉克统计)。
1. t-通道图:
正电子 p1 散射为 p1′,正电子 p2 散射为 p2′,中间交换动量为 q=p1−p1′ 的标量玻色子。
- 第一条费米子线(逆箭头从 p1 到 p1′):vˉ(p1)(ig)v(p1′)
- 第二条费米子线(逆箭头从 p2 到 p2′):vˉ(p2)(ig)v(p2′)
- 标量传播子:(p1−p1′)2+M2−i
t-通道振幅为:
iTt=[vˉ(p1)(ig)v(p1′)](p1−p1′)2+M2−i[vˉ(p2)(ig)v(p2′)]=(p1−p1′)2+M2ig2[vˉ(p1)v(p1′)][vˉ(p2)v(p2′)]
2. u-通道图:
交换两个出射正电子的动量 p1′↔p2′,中间交换动量为 q′=p1−p2′ 的标量玻色子。
u-通道振幅为:
iTu=−(p1−p2′)2+M2ig2[vˉ(p1)v(p2′)][vˉ(p2)v(p1′)]
总振幅:
将两部分相加,得到该过程的树图阶振幅:
iTe+e+→e+e+=ig2((p1−p1′)2+M2[vˉ(p1)v(p1′)][vˉ(p2)v(p2′)]−(p1−p2′)2+M2[vˉ(p1)v(p2′)][vˉ(p2)v(p1′)])
(2) 过程 φφ→e+e−
设入射标量玻色子的动量为 k1,k2,出射电子(e−)的动量为 p1,出射正电子(e+)的动量为 p2。
在树图阶,该过程同样由两个费曼图贡献:t-通道和 u-通道。由于初态是两个全同的标量玻色子,交换它们(玻色-爱因斯坦统计)引入相对正号。
费米子线贯穿整个图,箭头从出射正电子 e+(p2) 指向出射电子 e−(p1)。逆着箭头方向书写,起点为出射电子 uˉ(p1),终点为出射正电子 v(p2)。
1. t-通道图:
标量 k1 连接到靠近出射电子 p1 的顶点,标量 k2 连接到靠近出射正电子 p2 的顶点。
根据动量守恒,内部费米子传播子的动量(顺着箭头方向)为 qt=p1−k1。
振幅为:
iTt=uˉ(p1)(ig)qt2+m2−i(−qt+m)(ig)v(p2)=ig2uˉ(p1)(p1−k1)2+m2−(p1−k1)+mv(p2)
2. u-通道图:
交换两个入射标量玻色子 k1↔k2。标量 k2 连接到靠近出射电子 p1 的顶点。
内部费米子传播子的动量变为 qu=p1−k2。
振幅为:
iTu=uˉ(p1)(ig)qu2+m2−i(−qu+m)(ig)v(p2)=ig2uˉ(p1)(p1−k2)2+m2−(p1−k2)+mv(p2)
总振幅:
将两部分相加,提取公因子,得到该过程的树图阶振幅:
iTφφ→e+e−=ig2uˉ(p1)[(p1−k1)2+m2−(p1−k1)+m+(p1−k2)2+m2−(p1−k2)+m]v(p2)