现在,我们着手进行一些 QED 的计算。为了方便之后的计算,我们首先介绍 Trace Technology,即有关 Dirac 矩阵及其乘积的迹的计算。
Trace Technology
Dirac 矩阵的性质为:
{γμ,γν}=2gμν×1
现在进行迹的计算:
tr(γμ)=tr(γ5γ5γμ)=−tr(γ5γμγ5)=−tr(γ5γ5γμ)=−tr(γμ)⇒tr(γμ)=0
上述推导应用了反对易关系:{γ5,γμ}=0 与迹的性质:tr(ABC)=tr(CAB)
- tr(γμγν)
tr(γμγν)=tr(2gμν⋅1−γνγμ)=8gμν−tr(γμγν)
推得:
tr(γμγν)=4gμν
任何偶数个 γ 矩阵的缩并都可以通过类似技巧得到,例如:
tr(γμγνγργσ)=tr(2gμνγργσ−γνγμγργσ)=tr(2gμνγργσ−γν2gμργσ+γνγργμγσ)=tr(2gμνγργσ−γν2gμργσ+γνγρ2gμσ−γνγργσγμ)=8(gμνgρσ−gμρgνσ+gνρgμσ)−tr(γμγνγργσ)
得到:
tr(γμγνγργσ)=4(gμνgρσ−gμρgνσ+gνρgμσ)
可以得到:
tr(γ5)=tr(iγ0γ1γ2γ3)=0
- tr(γμγνγργσγ5)=−4iϵμνρσ
ϵμνρσ 对于参数 (μνρσ)=(0123) 及其偶置换取 +1,其奇置换取 −1。并且具有以下性质:
ϵαβγδϵαβγδ=−24ϵαβγμϵαβγν=−6δ νμϵαβμνϵαβρσ=−2(δ ρμδ σν−δ σμδ ρν)
注意:
ϵαβγδ=gαα′gββ′gγγ′gδδ′ϵα′β′γ′δ′=−ϵαβγδ
另外一个有用的关系让我们可以调换迹中 γ 矩阵的顺序,即
tr(γμγν⋯)=tr(⋯γνγμ)
我们可以利用电荷共轭变换的性质:
C2=1,CγμC=−(γμ)T
可得:
tr(γμγν⋯)=tr(CγμCCγνC⋯)=(−1)ntr[(γμ)T(γν)T⋯]=tr(⋯γνγμ)
在求迹运算前,提前处理一些缩并可以简化计算。
- γμγμ
γμγμ=γμγνgμν=21γμγνgμν+21γνγμgνμ=21γμγνgμν+21γνγμgμν=21{γμ,γν}gμν=gμνgμν=4
- γμγνγμ
γμγνγμ=(2gμν−γνγμ)γμ=2γν−4γν=−2γν
- γμγνγργμ
γμγνγργμ=(2gμν−γνγμ)γργμ=2γργν−γν(2gμρ−γργμ)γμ=2γργν−2γνγρ+4γνγρ=2{γρ,γν}=4gρν
- γμγνγργσγμ
γμγνγργσγμ=(2gμν−γνγμ)γργσγμ=2γργσγν−4γνgρσ=2γργσγν−2(γργσ+γσγρ)γν=−2γσγργν
e+e−→μ+μ−
e+e−→μ+μ− 是最简单的 QED 过程。其费曼图为:
其跃迁矩阵元为:
iM=vˉs(p′)(−ieγμ)us(p)(−q2igμν)uˉr(k)(−ieγν)vr′(k′)
整理得到:
M(e−(p)e+(p′)→μ−(k)μ+(k′))=q2ie2(vˉ(p′)γμu(p))(uˉ(k)γμv(k′))
跃迁矩阵元的模方为:
∣M∣2=q4e4(vˉ(p′)γμu(p)uˉ(p)γνv(p′))(uˉ(k)γμv(k′)vˉ(k′)γνu(k))(1)
在实验中,我们很难控制自旋态。在大多数实验中,我们通常是制备一些未极化的初态,这意味着它处于任何自旋的概率是一样的。我们应当对所有可能的自旋态求平均。对应求得的散射截面称为 非极化截面 unpolarized cross section。
这意味着我们要计算以下物理量:
21s∑21s′∑r∑r′∑∣M(s,s′→r,r′)∣2(2)
利用完备性关系:
s∑us(p)uˉs(p)=γ⋅p+ms∑vs(p)vˉs(p)=γ⋅p−m
可得:
ss′∑(vˉs′(p′)γμus(p)uˉs(p)γνvs′(p′))=s′∑(vˉs′(p′)γμ(s∑us(p)uˉs(p))γνvs′(p′))=s′∑(vˉas′(p′)γabμ(γ⋅p+m)bcγcdνvds′(p′))=s′∑((vds′(p′)vˉas′(p′))γabμ(γ⋅p+m)bcγcdν)=(γ⋅p′−m)daγabμ(γ⋅p+m)bcγcdν=tr[(γ⋅p′−m)γμ(γ⋅p+m)γν](3)
代入 (2) 式可得:
41ss′rr′∑∣M∣2=41q4e4(vˉ(p′)γμu(p)uˉ(p)γνv(p′))(uˉ(k)γμv(k′)vˉ(k′)γνu(k))=4q2e4tr[(γ⋅p′−me)γμ(γ⋅p+me)γν]tr[(γ⋅k+mμ)γμ(γ⋅k′−mμ)γν]
现在我们来计算式 (3),可以得到:
tr[(γ⋅p′−me)γμ(γ⋅p+me)γν]=tr[(γρpρ′−me)γμ(γσpσ+me)γν]=tr(γργμγσγνpρ′pσ+γργμγνpσ′me−γμγσγνpσme−me2γμγν)=4(gρμgσν−gρσgμν+gρνgμσ)pρ′pσ−4me2gμν=4(p′μpν+p′νpμ−gμν(p′⋅p+me2))
近似认为 me=0,那么可得:
41spins∑∣M∣2=q44e4(p′μpν+p′νpμ−gμν(p′⋅p+me2))(kμkν′+kνkμ′−gμν(k⋅k′+mμ2))=q48e4((p′⋅k)(p⋅k′)+(p⋅k)(p′⋅k′)+mμ2(p⋅p′))(4)
考虑初态为正负电子对撞的情况。
得到:
p′⋅k=p⋅k′=E2+E∣k∣cosθp⋅k=p′⋅k′=E2−E∣k∣cosθp⋅p′=2E2,q2=(p+p′)2=4E2(5)
代入得到:
41spins∑∣M∣2=q48e4((E2+E∣k∣cosθ)2+(E2−E∣k∣cosθ)2+2mμ2E2)=16E48e4(2E4+2E2(E2−mμ2)cos2θ+2mμ2E2)=e4[(1+E2mμ2)+(1−E2mμ2)cos2θ](6)
相应的微分散射截面为:
dΩdσ=2Ecm2116π2Ecm2∣k∣⋅41spins∑∣M∣2=4Ecm2α21−E2mμ2[(1+E2mμ2)+(1−E2mμ2)cos2θ](7)
通过积分得到总散射截面:
σtotal=3Ecm24πα21−E2mμ2(1+21E2mμ2)(8)
在高能极限时(E≫mμ),相应的微分散射截面与总散射截面为:
dΩdσ=4Ecm2α2(1+cos2θ)σtotal=3Ecm24πα2(1−83(Emμ)4−⋯)(9)
螺旋度结构
高能极限下 e+e−→μ+μ− 的微分散射截面是容易计算的,但却不好理解其中出现的 1+cos2θ 因子。现在我们通过来计算各个自旋态对应的散射截面,即 极化截面 polarized cross section 来理解这件事。
对于无质量费米子,以下矩阵将 Dirac 旋量映射成 右手/左手旋量:
21+γ5=(0001)21−γ5=(1000)(10)
我们现在对包含 Dirac 旋量跃迁矩阵元做如下替换,以用来计算对于右手旋量的跃迁矩阵元。
vˉ(p′)γμu(p)→vˉ(p′)γμ(21+γ5)u(p)(11)
这里:
(21+γ5)u(p)
成为一右手旋量。
(11) 式还可以写为:
vˉ(p′)γμ(21+γ5)u(p)=v†(p′)(21+γ5)γ0γμu(p)(12)
此时:
v†(p′)(21+γ5)
成为一右手旋量。于是我们得到:对于 u(p),v(p),改变左手旋量的值对结果并无影响。
而注意到右手旋量 v(p) 对应于左手反粒子。因此我们说:只有正反粒子具有相反的螺旋度时,该项才对跃迁矩阵元有贡献。
考虑一个右手态电子与左手态反电子的贡献:
spins∑∣vˉ(p′)γμ(21+γ5)u(p)∣2=spins∑[vˉ(p′)γμ(21+γ5)u(p)][uˉ(p)γν(21+γ5)v(p′)]=tr((p′⋅γ)γμ(21+γ5)(p⋅γ)γν(21+γ5))=tr((p′⋅γ)γμ(p⋅γ)γν(21+γ5)2)=tr((p′⋅γ)γμ(p⋅γ)γν(21+γ5))=2(p′μpν+p′νpμ−gμνp⋅p′−iϵαμβνpα′pβ)
考虑末态为右手态 μ− 与左手态 μ+:
spins∑∣uˉ(k)γμ(21+γ5)v(k′)∣2=2(kμkν′+kνkμ′−gμνk⋅k′−iϵρμσνkρk′σ)
得到跃迁矩阵元为:
∣M∣2=q44e4[2(p′μpν+p′νpμ−gμνp⋅p′−iϵαμβνpα′pβ)][2(kμkν′+kνkμ′−gμνk⋅k′−iϵρμσνkρk′σ)]=q44e4[2(p⋅k)(p′⋅k′)+2(p⋅k′)(p′⋅k)−ϵαμβνϵαμβνpα′pβkρk′σ]=q416e4(p⋅k′)(p′⋅k)=e4(1+cosθ)2
得到对应的微分散射截面为:
dΩdσ(eR−eL+→μR−μL+)=4Ecm2α2(1+cosθ)2(13)
同理,可以计算剩下三种情况的微分散射截面:
dΩdσ(eR−eL+→μL−μR+)=4Ecm2α2(1−cosθ)2dΩdσ(eL−eR+→μR−μL+)=4Ecm2α2(1−cosθ)2dΩdσ(eL−eR+→μL−μR+)=4Ecm2α2(1+cosθ)2(14)
现在我们考虑直接代入波函数的表达式计算跃迁矩阵元。
M=q2e2(vˉ(p′)γμu(p))(uˉ(k)γμv(k′))(15)
在高能极限下:
u(p)v(p)=(p⋅σξp⋅σˉξ)E→∞⟶2E(21(1−p⋅σ)ξ21(1+p⋅σ)ξ)=(p⋅σξ−p⋅σˉξ)E→∞⟶2E(21(1−p⋅σ)ξ−21(1+p⋅σ)ξ)(16)
p^⋅σ 正是螺旋度算符,对于右手正粒子来说:(p⋅σ)ξ=+ξ;对于左手正粒子来说:(p⋅σ)ξ=−ξ。对于反粒子来说会相反。
现在选取一个特定的初态。电子和反电子的动量 p,p′ 分别指向 z 轴的正、负方向,对于右手电子来说,自旋为:ξ=(10);对于左手反电子来说,自旋为:ξ=(01)。
得到正/反粒子旋量为:
u(p)=2E⎝⎜⎜⎛0010⎠⎟⎟⎞v(p′)=2E⎝⎜⎜⎛000−1⎠⎟⎟⎞(17)
得到:
vˉ(p′)γμu(p)=2E(0,−1)σμ(10)=−2E(0,1,i,0)(18)
考虑末态为:
只需要在 xz 平面内做一个角度为 θ 的旋转即可,可得:
uˉ(k)γμv(k′)=[vˉ(k′)γμu(k)]∗=[−2E(0,cosθ,i,−sinθ)]∗=−2E(0,cosθ,−i,−sinθ)(19)
将 (18)(19) 代入 (15) 得到:
M(eR−eL+→μR−μL+)=−e2(1+cosθ)(20)
类似的计算得到剩下三个跃迁矩阵元:
M(eL−eR+→μL−μR+)=−e2(1+cosθ)M(eL−eR+→μL−μR+)=M(eR−eL+→μR−μL+)=−e2(1−cosθ)(21)
非相对论极限
现在讨论在能量稍大于 mμ 时的散射截面。
dΩdσ=4Ecm2α21−E2mμ2[(1+E2mμ2)+(1−E2mμ2)cos2θ]∣k∣→0⟶4Ecm2α2E∣k∣⋅2 =2Ecm2α2E∣k∣
利用初态得到:
vˉ(p′)γμu(p)=−2E(0,1,i,0)
末态为:
u(k)=m(ξξ)v(k′)=m(ξ′−ξ′)
其中 ξ′ 表示反粒子翻转后的自旋。
得到:
uˉ(k)γμv(k′)=m(ξ†,ξ†)(σˉμ00σμ)(ξ′−ξ′)={0−2mξ†σiξ′μ=0μ=i
可得:
M(eR−eL+→μ−μ+)=−2e2ξ†(0010)ξ′(22)
这是一个与角度无关的量。对末态可能的自旋求和后得到:
M2=4e2(23)
可以得到微分散射截面为:
dΩdσ(eR−eL+→μ+μ−)=Ecm2α2E∣k∣(24)
束缚态
由于 μ−μ+ 之间存在库伦相互作用,因此在能量低于阈值时,此仍然可能发生 e−e+→μ−μ+ 的反应,并最后生成 μ−μ+ 的束缚态。我们现在就来处理这样的问题。
对于反应后生成的两个粒子 1,2,首先定义以下物理量:
R=21(r1+r2)r=r1−r2K=k1+k2k=21(k1−k2)(25)
反应后生成的束缚态可以用自由态的线性叠加表示。我们考虑反应后的束缚态 M≈2m,K=0,自旋为 1,方向向上。那么这个束缚态可以表示为:
∣B⟩=2M∫(2π)3d3kψ~(k)2m12m1∣k↑,−k↑⟩(26)
其中 ψ~(k) 满足:
ψ~(k)=∫d3xeik⋅xψ(r)∫(2π)3d3k∣ψ~(k)∣2=1
跃迁到这个束缚态的矩阵元为:
M(↑↑→B)=2M∫(2π)3d3kψ~(k)2m12m1M(↑↑→k↑,−k↑)=M2(−2e2)∫(2π)3d3kψ~(k)=M2(−2e2)ψ∗(0)(27)