习题 61.2 - 解答
先分析标量康普顿散射 e~−(p1)+γ(k1)→e~−(p2)+γ(k2) 的运动学与振幅。
定义 Mandelstam 变量(采用 (−,+,+,+) 度规):
s=−(p1+k1)2=−(p2+k2)2
t=−(p1−p2)2=−(k1−k2)2
u=−(p1−k2)2=−(p2−k1)2
满足 s+t+u=2m2。
1. 构建散射振幅
根据标量 QED 的费曼规则,该过程包含三个图:s-道、u-道和接触图(seagull term)。
设初态光子极化矢量为 ε1μ(k1),末态光子极化矢量为 ε2ν∗(k2)。
- s-道振幅:
Ts=(−ie)(2p1+k1)με1μ(p1+k1)2+m2−i(−ie)(2p2+k2)νε2ν∗=−ie2s−m2(2p1+k1)μ(2p2+k2)νε1με2ν∗
- u-道振幅:
将 k1↔−k2 且 μ↔ν 交换:
Tu=−ie2u−m2(2p2−k1)μ(2p1−k2)νε1με2ν∗
- 接触图振幅:
四点顶点规则为 −2ie2ημν(由协变导数平方项给出):
Tc=−2ie2ημνε1με2ν∗
总振幅可写为 T=−ie2ε1με2ν∗Mμν,其中:
Mμν=s−m2(2p1+k1)μ(2p2+k2)ν+u−m2(2p2−k1)μ(2p1−k2)ν+2ημν
(注:接触项系数 +2ημν 保证了规范不变性 k1μMμν=0)。
2. 计算振幅平方
对于非极化截面,需要对初态自旋求平均,对末态自旋求和。初态包含一个标量(自旋0,1个态)和一个光子(自旋1,2个横向极化态),因此平均因子为 1/2。
⟨∣T∣2⟩=21∑pol∣T∣2=21e4MμνMμν∗
由于 Mμν 满足 Ward 恒等式,极化求和可直接替换为 ∑εμεα∗→ημα。因此我们需要计算 MμνMμν。
令 Aμν=(2p1+k1)μ(2p2+k2)ν,Bμν=(2p2−k1)μ(2p1−k2)ν。
展开 MμνMμν:
MμνMμν=(s−m2)2AμνAμν+(u−m2)2BμνBμν+(s−m2)(u−m2)2AμνBμν+s−m24Aμμ+u−m24Bμμ+4ημνημν
下面利用运动学关系(如 2p1⋅k1=m2−s,2p1⋅p2=t−2m2 等)计算各项缩并:
- AμνAμν=(2p1+k1)2(2p2+k2)2=(−2s−2m2)(−2s−2m2)=4(s+m2)2
- BμνBμν=(2p2−k1)2(2p1−k2)2=(−2u−2m2)(−2u−2m2)=4(u+m2)2
- AμνBμν=[(2p1+k1)⋅(2p2−k1)][(2p2+k2)⋅(2p1−k2)]=(t−4m2)(t−4m2)=(t−4m2)2
- Aμμ=(2p1+k1)⋅(2p2+k2)。利用 p2+k2=p1+k1≡P,有 (P+p1)⋅(P+p2)=P2+P⋅p2+P⋅p1+p1⋅p2=−s−2s+m2−2s+m2+2t−2m2=−2s−2m2+2t
- Bμμ=(2p2−k1)⋅(2p1−k2)。同理令 P′=p1−k2=p2−k1,得到 −2u−2m2+2t
- 4ημνημν=16
将上述结果代入并化简:
第一项与第四项组合:
(s−m2)24(s+m2)2+s−m24(−2s−2m2+t/2)=4(1+s−m22m2)2−8−s−m216m2+s−m22t=−4+(s−m2)216m4+s−m22t
同理,第二项与第五项组合给出:
−4+(u−m2)216m4+u−m22t
将这两部分与常数项 16 相加:
−4−4+16+(s−m2)216m4+(u−m2)216m4+2t(s−m21+u−m21)
其中 2t((s−m2)(u−m2)s+u−2m2)=(s−m2)(u−m2)−2t2。
现在加上交叉项(第三项):
(s−m2)(u−m2)2(t−4m2)2−(s−m2)(u−m2)2t2=(s−m2)(u−m2)−16m2t+32m4=(s−m2)(u−m2)16m2(2m2−t)
利用 2m2−t=s+u=(s−m2)+(u−m2)+2m2,上式可完美拆分为:
u−m216m2+s−m216m2+(s−m2)(u−m2)32m4
将所有项收集起来,得到极化求和的振幅平方:
MμνMμν=8+16m4(s−m21+u−m21)2+16m2(s−m21+u−m21)
定义无量纲变量 x≡m2(s−m21+u−m21),则有:
MμνMμν=8(1+2x+2x2)
最终,包含初态自旋平均的振幅平方为:
⟨∣T∣2⟩=21e4MμνMμν=4e4(1+2x+2x2)
⟨∣T∣2⟩=4e4[1+2m2(s−m21+u−m21)+2m4(s−m21+u−m21)2]
3. 交叉对称性分析 (Crossing Symmetry)
对于标量电子对湮灭过程 e~+(p1)+e~−(p2)→γ(k1)+γ(k2),其 Mandelstam 变量定义为:
sann=−(p1+p2)2,tann=−(p1−k1)2,uann=−(p1−k2)2
通过交叉对称性,将康普顿散射中的入射光子 k1 与出射标量 p2 交换(即 s↔t),康普顿散射的极化求和振幅平方 ∑∣T∣2 会直接映射为湮灭过程的极化求和振幅平方:
∑∣Tann∣2=8e4[1+2m2(tann−m21+uann−m21)+2m4(tann−m21+uann−m21)2]
由于湮灭过程的初态是两个无自旋的标量粒子,其初态自旋平均因子为 1。因此 ⟨∣Tann∣2⟩=∑∣Tann∣2=8e4(1+2xann+2xann2)。
注:康普顿散射的 ⟨∣T∣2⟩ 带有 1/2 的初态光子极化平均因子,而湮灭过程末态有两个全同光子,在计算截面时相空间会引入 1/2! 的全同粒子对称因子。若将该对称因子吸收到有效振幅平方的定义中,两者的数学形式在 s↔t 替换下完全等价,这正是交叉对称性在解析延拓中的优美体现。