习题 63.1 - 解答
(a)
在量子电动力学(QED)中,规范不变性要求物理的散射振幅在规范变换下保持不变。这在动量空间中体现为 Ward-Takahashi 恒等式:
qμVμ(p′,p)=S−1(p)−S−1(p′)
其中 S(p) 是完整的费米子传播子。当该顶点函数被夹在在壳(on-shell)的外部费米子旋量 uˉs′(p′) 和 us(p) 之间时,由于在壳旋量满足狄拉克方程,逆传播子作用于其上结果为零,即 S−1(p)us(p)=0 且 uˉs′(p′)S−1(p′)=0。因此,规范不变性直接导致:
qμuˉ′Vμ(p′,p)u=0
将题目给出的 uˉ′Vμ(p′,p)u 的一般形式代入上式,并利用动量转移 q=p′−p 进行收缩:
qμuˉ′Vμ(p′,p)u=euˉ′[A(q2)qμγμ+B(q2)qμ(p′+p)μ+C(q2)qμ(p′−p)μ]u=euˉ′[A(q2)q+B(q2)(p′−p)⋅(p′+p)+C(q2)(p′−p)⋅(p′−p)]u
接下来逐项化简:
- 对于第一项,利用 q=p′−p 以及在壳旋量满足的狄拉克方程 pu=mu 和 uˉ′p′=uˉ′m:
uˉ′qu=uˉ′(p′−p)u=uˉ′(m−m)u=0
- 对于第二项,利用在壳条件 p2=p′2=m2:
(p′−p)⋅(p′+p)=p′2−p2=m2−m2=0
- 对于第三项,直接有:
(p′−p)⋅(p′−p)=q2
将上述结果代回原式,得到:
eC(q2)q2uˉ′u=0
由于该等式必须对任意的动量转移 q2 成立,且一般情况下 uˉ′u=0,因此必须满足:
C(q2)=0
规范不变性对 A(q2) 和 B(q2) 没有施加任何限制。
(b)
在 QED 中,包含单光子顶点的矩阵元通常使用 Dirac 形状因子 F1(q2) 和 Pauli 形状因子 F2(q2) 进行标准参数化:
uˉ′Vμ(p′,p)u=euˉ′[F1(q2)γμ+F2(q2)2miσμνqν]u
为了将题目给出的形式与标准形式联系起来,需要使用 Gordon 分解恒等式。Gordon 分解将对流电流(与动量相关)和自旋电流(与 σμν 相关)联系起来:
uˉ′γμu=uˉ′[2m(p′+p)μ+2miσμνqν]u
通过移项,可以将 (p′+p)μ 表达为 γμ 和 σμνqν 的组合:
uˉ′(p′+p)μu=uˉ′[2mγμ−iσμνqν]u
将此关系式以及 (a) 问中得到的 C(q2)=0 代入题目给出的一般形式中:
uˉ′Vμ(p′,p)u=euˉ′[A(q2)γμ+B(q2)(p′+p)μ]u=euˉ′[A(q2)γμ+B(q2)(2mγμ−iσμνqν)]u=euˉ′[(A(q2)+2mB(q2))γμ−iB(q2)σμνqν]u
将上式与标准参数化形式进行逐项对比:
F1(q2)γμ+F2(q2)2miσμνqν=(A(q2)+2mB(q2))γμ−iB(q2)σμνqν
比较 γμ 的系数,可得:
F1(q2)=A(q2)+2mB(q2)
比较 iσμνqν 的系数,可得 2mF2(q2)=−B(q2),即:
F2(q2)=−2mB(q2)