45.1

Problem 45.1

srednickiChapter 45

习题 45.1

来源: 第45章, PDF第291页


45.1 a) Determine how φ(x)\varphi(x) must transform under parity, time reversal, and charge conjugation in order for these to all be symmetries of the theory. (Prerequisite: 40)

b) Same question, but with the interaction given by L1=igφΨγ5Ψ\mathcal{L}_1 = ig\varphi\overline{\Psi}\gamma_5\Psi instead of eq. (45.1).


Referenced Equations:

Equation (45.1):

L1=gφΨΨ,(45.1)\mathcal{L}_1 = g \varphi \overline{\Psi} \Psi , \tag{45.1}

习题 45.1 - 解答


为了使理论在宇称(PP)、时间反演(TT)和电荷共轭(CC)变换下保持对称,作用量 S=d4xLS = \int d^4x \mathcal{L} 必须是不变的。这意味着相互作用拉格朗日密度 L1(x)\mathcal{L}_1(x) 必须满足以下变换性质: PL1(t,x)P1=L1(t,x)P \mathcal{L}_1(t, \mathbf{x}) P^{-1} = \mathcal{L}_1(t, -\mathbf{x}) TL1(t,x)T1=L1(t,x)T \mathcal{L}_1(t, \mathbf{x}) T^{-1} = \mathcal{L}_1(-t, \mathbf{x}) CL1(x)C1=L1(x)C \mathcal{L}_1(x) C^{-1} = \mathcal{L}_1(x)

在分析标量场 φ(x)\varphi(x) 的变换之前,我们先简要回顾狄拉克双线性型 S(x)=ΨΨS(x) = \overline{\Psi}\PsiP(x)=iΨγ5ΨP(x) = i\overline{\Psi}\gamma_5\Psi 在离散对称性下的变换规律。

  • 宇称 (PP)PΨ(t,x)P1=γ0Ψ(t,x)P \Psi(t, \mathbf{x}) P^{-1} = \gamma^0 \Psi(t, -\mathbf{x})P(ΨΨ)P1=Ψγ0γ0Ψ=ΨΨP (\overline{\Psi}\Psi) P^{-1} = \overline{\Psi}\gamma^0 \gamma^0 \Psi = \overline{\Psi}\Psi P(iΨγ5Ψ)P1=iΨγ0γ5γ0Ψ=iΨγ5ΨP (i\overline{\Psi}\gamma_5\Psi) P^{-1} = i\overline{\Psi}\gamma^0 \gamma_5 \gamma^0 \Psi = -i\overline{\Psi}\gamma_5\Psi
  • 时间反演 (TT)TΨ(t,x)T1=TΨ(t,x)T \Psi(t, \mathbf{x}) T^{-1} = \mathcal{T} \Psi(-t, \mathbf{x}),其中 T\mathcal{T} 是满足 T1γμT=(γμ)\mathcal{T}^{-1}\gamma^\mu \mathcal{T} = (\gamma^\mu)^* 的矩阵。注意 TT 是反幺正算符(TiT1=iT i T^{-1} = -i)。由于 T\mathcal{T} 由两个伽马矩阵的乘积构成,它与 γ5\gamma_5 对易,且在标准表象下 γ5=γ5\gamma_5^* = \gamma_5T(ΨΨ)T1=ΨT1TΨ=ΨΨT (\overline{\Psi}\Psi) T^{-1} = \overline{\Psi}\mathcal{T}^{-1}\mathcal{T}\Psi = \overline{\Psi}\Psi T(iΨγ5Ψ)T1=iΨT1γ5TΨ=iΨγ5ΨT (i\overline{\Psi}\gamma_5\Psi) T^{-1} = -i \overline{\Psi}\mathcal{T}^{-1}\gamma_5^* \mathcal{T}\Psi = -i\overline{\Psi}\gamma_5\Psi
  • 电荷共轭 (CC)CΨC1=CΨTC \Psi C^{-1} = \mathcal{C} \overline{\Psi}^T,其中 C1γμC=(γμ)T\mathcal{C}^{-1}\gamma^\mu \mathcal{C} = -(\gamma^\mu)^TC1γ5C=γ5T\mathcal{C}^{-1}\gamma_5 \mathcal{C} = \gamma_5^T。利用费米子反交换律: C(ΨΨ)C1=ΨTC1CΨT=ΨΨC (\overline{\Psi}\Psi) C^{-1} = -\Psi^T \mathcal{C}^{-1}\mathcal{C}\overline{\Psi}^T = \overline{\Psi}\Psi C(iΨγ5Ψ)C1=iΨTC1γ5CΨT=iΨTγ5TΨT=iΨγ5ΨC (i\overline{\Psi}\gamma_5\Psi) C^{-1} = -i\Psi^T \mathcal{C}^{-1}\gamma_5 \mathcal{C}\overline{\Psi}^T = -i\Psi^T \gamma_5^T \overline{\Psi}^T = i\overline{\Psi}\gamma_5\Psi

a) 对于相互作用 L1=gφΨΨ\mathcal{L}_1 = g \varphi \overline{\Psi} \Psi

这里 L1(x)=gφ(x)S(x)\mathcal{L}_1(x) = g \varphi(x) S(x)。根据上述 S(x)S(x) 的变换性质,我们逐一推导 φ(x)\varphi(x) 的变换要求:

  1. 宇称 (PP)PL1(t,x)P1=g(Pφ(t,x)P1)S(t,x)P \mathcal{L}_1(t, \mathbf{x}) P^{-1} = g (P \varphi(t, \mathbf{x}) P^{-1}) S(t, -\mathbf{x}) 为使其等于 L1(t,x)=gφ(t,x)S(t,x)\mathcal{L}_1(t, -\mathbf{x}) = g \varphi(t, -\mathbf{x}) S(t, -\mathbf{x}),必须有: Pφ(t,x)P1=φ(t,x)P \varphi(t, \mathbf{x}) P^{-1} = \varphi(t, -\mathbf{x})

  2. 时间反演 (TT)TL1(t,x)T1=g(Tφ(t,x)T1)S(t,x)T \mathcal{L}_1(t, \mathbf{x}) T^{-1} = g (T \varphi(t, \mathbf{x}) T^{-1}) S(-t, \mathbf{x}) 为使其等于 L1(t,x)=gφ(t,x)S(t,x)\mathcal{L}_1(-t, \mathbf{x}) = g \varphi(-t, \mathbf{x}) S(-t, \mathbf{x}),必须有: Tφ(t,x)T1=φ(t,x)T \varphi(t, \mathbf{x}) T^{-1} = \varphi(-t, \mathbf{x})

  3. 电荷共轭 (CC)CL1(x)C1=g(Cφ(x)C1)S(x)C \mathcal{L}_1(x) C^{-1} = g (C \varphi(x) C^{-1}) S(x) 为使其等于 L1(x)=gφ(x)S(x)\mathcal{L}_1(x) = g \varphi(x) S(x),必须有: Cφ(x)C1=φ(x)C \varphi(x) C^{-1} = \varphi(x)

结论φ(x)\varphi(x) 必须是一个标量场 (Scalar field),在 P,T,CP, T, C 变换下均为偶(+1+1)。

Pφ(t,x)P1=+φ(t,x)Tφ(t,x)T1=+φ(t,x)Cφ(x)C1=+φ(x)\boxed{ \begin{aligned} P \varphi(t, \mathbf{x}) P^{-1} &= +\varphi(t, -\mathbf{x}) \\ T \varphi(t, \mathbf{x}) T^{-1} &= +\varphi(-t, \mathbf{x}) \\ C \varphi(x) C^{-1} &= +\varphi(x) \end{aligned} }

b) 对于相互作用 L1=igφΨγ5Ψ\mathcal{L}_1 = i g \varphi \overline{\Psi} \gamma_5 \Psi

这里 L1(x)=gφ(x)P(x)\mathcal{L}_1(x) = g \varphi(x) P(x)。根据上述 P(x)P(x) 的变换性质,我们逐一推导 φ(x)\varphi(x) 的变换要求:

  1. 宇称 (PP)PL1(t,x)P1=g(Pφ(t,x)P1)(P(t,x))P \mathcal{L}_1(t, \mathbf{x}) P^{-1} = g (P \varphi(t, \mathbf{x}) P^{-1}) (-P(t, -\mathbf{x})) 为使其等于 L1(t,x)=gφ(t,x)P(t,x)\mathcal{L}_1(t, -\mathbf{x}) = g \varphi(t, -\mathbf{x}) P(t, -\mathbf{x}),必须有: Pφ(t,x)P1=φ(t,x)P \varphi(t, \mathbf{x}) P^{-1} = -\varphi(t, -\mathbf{x})

  2. 时间反演 (TT)TL1(t,x)T1=g(Tφ(t,x)T1)(P(t,x))T \mathcal{L}_1(t, \mathbf{x}) T^{-1} = g (T \varphi(t, \mathbf{x}) T^{-1}) (-P(-t, \mathbf{x})) 为使其等于 L1(t,x)=gφ(t,x)P(t,x)\mathcal{L}_1(-t, \mathbf{x}) = g \varphi(-t, \mathbf{x}) P(-t, \mathbf{x}),必须有: Tφ(t,x)T1=φ(t,x)T \varphi(t, \mathbf{x}) T^{-1} = -\varphi(-t, \mathbf{x})

  3. 电荷共轭 (CC)CL1(x)C1=g(Cφ(x)C1)P(x)C \mathcal{L}_1(x) C^{-1} = g (C \varphi(x) C^{-1}) P(x) 为使其等于 L1(x)=gφ(x)P(x)\mathcal{L}_1(x) = g \varphi(x) P(x),必须有: Cφ(x)C1=φ(x)C \varphi(x) C^{-1} = \varphi(x)

结论φ(x)\varphi(x) 必须是一个赝标量场 (Pseudoscalar field),在 PPTT 变换下为奇(1-1),在 CC 变换下为偶(+1+1)。

Pφ(t,x)P1=φ(t,x)Tφ(t,x)T1=φ(t,x)Cφ(x)C1=+φ(x)\boxed{ \begin{aligned} P \varphi(t, \mathbf{x}) P^{-1} &= -\varphi(t, -\mathbf{x}) \\ T \varphi(t, \mathbf{x}) T^{-1} &= -\varphi(-t, \mathbf{x}) \\ C \varphi(x) C^{-1} &= +\varphi(x) \end{aligned} }
45.2

Problem 45.2

srednickiChapter 45

习题 45.2

来源: 第45章, PDF第291页


45.2 Use the Feynman rules to write down (at tree level) iTi\mathcal{T} for the processes e+e+e+e+e^+e^+ \rightarrow e^+e^+ and φφe+e\varphi\varphi \rightarrow e^+e^-.

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 iTi\mathcal{T}。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 ee)与实标量场(φ\varphi)之间的汤川相互作用(Yukawa interaction)。 相互作用拉格朗日量为: Lint=gφΨˉΨ\mathcal{L}_{\text{int}} = g \varphi \bar{\Psi} \Psi 采用 Srednicki 的度规约定 (,+,+,+)(-, +, +, +) 以及相应的费曼规则:

  1. 顶点:每个相互作用顶点贡献 igig
  2. 标量传播子iq2+M2\frac{-i}{q^2 + M^2} (设标量场质量为 MM)。
  3. 费米子传播子i(+m)q2+m2\frac{-i(-\not{q} + m)}{q^2 + m^2} (设费米子质量为 mm)。
  4. 外线费米子
    • 入射 ee^-u(p)u(p);出射 ee^-uˉ(p)\bar{u}(p)
    • 入射 e+e^+vˉ(p)\bar{v}(p);出射 e+e^+v(p)v(p)
  5. 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+e^+e^+ \rightarrow e^+e^+

设入射正电子的动量为 p1,p2p_1, p_2,出射正电子的动量为 p1,p2p_1', p_2'。 在树图阶,该过程由两个费曼图贡献:tt-通道和 uu-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. tt-通道图: 正电子 p1p_1 散射为 p1p_1',正电子 p2p_2 散射为 p2p_2',中间交换动量为 q=p1p1q = p_1 - p_1' 的标量玻色子。

  • 第一条费米子线(逆箭头从 p1p_1p1p_1'):vˉ(p1)(ig)v(p1)\bar{v}(p_1) (ig) v(p_1')
  • 第二条费米子线(逆箭头从 p2p_2p2p_2'):vˉ(p2)(ig)v(p2)\bar{v}(p_2) (ig) v(p_2')
  • 标量传播子:i(p1p1)2+M2\frac{-i}{(p_1 - p_1')^2 + M^2}

tt-通道振幅为: iTt=[vˉ(p1)(ig)v(p1)]i(p1p1)2+M2[vˉ(p2)(ig)v(p2)]=ig2(p1p1)2+M2[vˉ(p1)v(p1)][vˉ(p2)v(p2)]i\mathcal{T}_t = \left[ \bar{v}(p_1) (ig) v(p_1') \right] \frac{-i}{(p_1 - p_1')^2 + M^2} \left[ \bar{v}(p_2) (ig) v(p_2') \right] = \frac{i g^2}{(p_1 - p_1')^2 + M^2} [\bar{v}(p_1) v(p_1')][\bar{v}(p_2) v(p_2')]

2. uu-通道图: 交换两个出射正电子的动量 p1p2p_1' \leftrightarrow p_2',中间交换动量为 q=p1p2q' = p_1 - p_2' 的标量玻色子。 uu-通道振幅为: iTu=ig2(p1p2)2+M2[vˉ(p1)v(p2)][vˉ(p2)v(p1)]i\mathcal{T}_u = - \frac{i g^2}{(p_1 - p_2')^2 + M^2} [\bar{v}(p_1) v(p_2')][\bar{v}(p_2) v(p_1')]

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([vˉ(p1)v(p1)][vˉ(p2)v(p2)](p1p1)2+M2[vˉ(p1)v(p2)][vˉ(p2)v(p1)](p1p2)2+M2)\boxed{ i\mathcal{T}_{e^+e^+ \rightarrow e^+e^+} = i g^2 \left( \frac{[\bar{v}(p_1) v(p_1')][\bar{v}(p_2) v(p_2')]}{(p_1 - p_1')^2 + M^2} - \frac{[\bar{v}(p_1) v(p_2')][\bar{v}(p_2) v(p_1')]}{(p_1 - p_2')^2 + M^2} \right) }


(2) 过程 φφe+e\varphi\varphi \rightarrow e^+e^-

设入射标量玻色子的动量为 k1,k2k_1, k_2,出射电子(ee^-)的动量为 p1p_1,出射正电子(e+e^+)的动量为 p2p_2。 在树图阶,该过程同样由两个费曼图贡献:tt-通道和 uu-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)e^+(p_2) 指向出射电子 e(p1)e^-(p_1)。逆着箭头方向书写,起点为出射电子 uˉ(p1)\bar{u}(p_1),终点为出射正电子 v(p2)v(p_2)

1. tt-通道图: 标量 k1k_1 连接到靠近出射电子 p1p_1 的顶点,标量 k2k_2 连接到靠近出射正电子 p2p_2 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=p1k1q_t = p_1 - k_1。 振幅为: iTt=uˉ(p1)(ig)i(̸qt+m)qt2+m2(ig)v(p2)=ig2uˉ(p1)(̸p1̸k1)+m(p1k1)2+m2v(p2)i\mathcal{T}_t = \bar{u}(p_1) (ig) \frac{-i(-\not{q}_t + m)}{q_t^2 + m^2} (ig) v(p_2) = i g^2 \bar{u}(p_1) \frac{-(\not{p}_1 - \not{k}_1) + m}{(p_1 - k_1)^2 + m^2} v(p_2)

2. uu-通道图: 交换两个入射标量玻色子 k1k2k_1 \leftrightarrow k_2。标量 k2k_2 连接到靠近出射电子 p1p_1 的顶点。 内部费米子传播子的动量变为 qu=p1k2q_u = p_1 - k_2。 振幅为: iTu=uˉ(p1)(ig)i(̸qu+m)qu2+m2(ig)v(p2)=ig2uˉ(p1)(̸p1̸k2)+m(p1k2)2+m2v(p2)i\mathcal{T}_u = \bar{u}(p_1) (ig) \frac{-i(-\not{q}_u + m)}{q_u^2 + m^2} (ig) v(p_2) = i g^2 \bar{u}(p_1) \frac{-(\not{p}_1 - \not{k}_2) + m}{(p_1 - k_2)^2 + m^2} v(p_2)

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: iTφφe+e=ig2uˉ(p1)[(̸p1̸k1)+m(p1k1)2+m2+(̸p1̸k2)+m(p1k2)2+m2]v(p2)\boxed{ i\mathcal{T}_{\varphi\varphi \rightarrow e^+e^-} = i g^2 \bar{u}(p_1) \left[ \frac{-(\not{p}_1 - \not{k}_1) + m}{(p_1 - k_1)^2 + m^2} + \frac{-(\not{p}_1 - \not{k}_2) + m}{(p_1 - k_2)^2 + m^2} \right] v(p_2) }