Материал: Вайнберг С. Квантовая теория полей. Том 1 (2001)

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

5.2. Причинные скалярные поля

267

возможных скалярному представлению группы Лоренца с D(Λ) = 1.

Если ограничиться вращениями, то такое представление будет скалярным представлением группы вращений с J = 0, так что уравнения (5.1.25) и (5.1.26) не имеют других решений, кроме j = 0, в этом случае σ, `σ могут принимать только нулевые значения.

Таким образом, скалярное поле может описывать только частицы с нулевым спином. Предполагая на время, что поле описывает лишь один сорт частиц, не имеющих отличных от самих себя античастиц, и опуская индекс сорта n, спиновый индекс σ и индекс поля l, находим, что величины ul(0,σ,n) è vl(0,σ,n) равны числам u(0) и v(0).

Общепринято подбирать общий масштаб полей уничтожения и рождения так, чтобы обе эти константы имели значение (2m)–1/2. Тогда из формул (5.1.21) и (5.1.22) находим:

u(p) = (2p0 )−1/2 ,

(5.2.1)

v(p) = (2p0 )−1/2 .

(5.2.2)

Отсюда в скалярном случае поля (5.1.17) и (5.1.18) равны

ϕ+ (x) = z d3p(2π)-3/2 (2p0 )-1/2 a(p)eip×x ,

(5.2.3)

ϕ- (x) = z d3p(2π)-3/2 (2p0 )-1/2 a† (p)e-ip×x = ϕ+† (x).

(5.2.4)

Гамильтониан H (x), построенный как полином по полям ϕ+(x) è ϕ–(x), будет автоматически удовлетворять требованию (5.1.9), т. е.

будет скаляром. Остается удовлетворить другому условию лоренцинвариантности S-матрицы — коммутации H (x) и H (y), взятых в точках, разделенных пространственноподобным расстоянием x − y. Если бы H (x) был полиномом только по ϕ+(x), то не возника-

ло бы никаких трудностей. Все операторы уничтожения либо коммутируют, либо антикоммутируют, так что ϕ+(x) коммутирует или антикоммутриует с ϕ+(y) для всех x и y, в соответствии с тем,

является ли частица бозоном или фермионом:

[ϕ+ (x), ϕ+ (y)]m = 0.

(5.2.5)

Поэтому любой оператор H (x), являющийся полиномом по ϕ+(x)

(для фермионов он должен быть четным), будет коммутировать

268

Глава 5. Квантовые поля и античастицы

ñH (y) при всех x и y. Проблема, конечно, в том, что H (x) должен быть эрмитовым, а для этого должен содержать наряду с j+(x) è ïîëå j+†(x) = j–(x). Íî j+(x) не коммутирует или антикоммутирует

ñj–(y) в точках, разделенных пространственноподобным расстоя-

нием. Используя соотношения коммутации (для бозонов) или антикоммутации (для фермионов) (4.2.5), находим:

[j+ (x), j- (y)]m

X

d3pd3p¢

eip×xe

-ip¢×yd3

(p - p¢) ,

= Y

×

2p¢0 )1/2

Z (2p)3 (2p0

что сводится к одному интегралу

[ϕ+ (x), ϕ− (y)]m

= + (x − y),

(5.2.6)

ãäå D+ — стандартная функция

1 D+ (x) º (2p)3

X Y Z

d3p

e

ip×x

.

(5.2.7)

2p

0

Эта функция явно лоренц-инвариантна, поэтому при пространственноподобных x она может зависеть только от инварианта x2 > 0. Можно вычислить D+(x) для пространственноподобных x, выбрав

систему координат так, чтобы

x0 = 0, | x| = x2 .

Тогда выражение (5.2.7) можно представить в виде

X

4p

X∞

D

(x) =

1

d3p

eip×x =

p2dp

sin(p x2 )

+

Y

Y

.

3

3

(2p)

Z 2 p2

+ m2

(2p)

Y

p x2

Z 2 p2 + m2

0

Заменяя переменную интегрирования на u º p/m, находим

D+ (x) =

m

X∞

udu

sin(m x2 u)

Y

(5.2.8)

4p2

x2 Z0

u2 + 1

5.2. Причинные скалярные поля

269

или, используя стандартную функцию Ганкеля,

+ (x) =

m

K1(m x2 ).

(5.2.9)

4π2

x2

Это выражение не равно нулю. Что же с ним делать? Заметим, что хотя +(x) и не равна нулю, но при x2 > 0 эта функция четна по xμ. Попробуем построить H (x) не из одних полей ϕ+(x), à

из линейной комбинации полей

ϕ(x) ≡ κϕ+ (x) + λϕ− (x) .

Используя (5.2.6), имеем при пространственноподобных x − y

ϕ(x), ϕ† (y) m = | κ|2 ϕ+ (x), ϕ− (y) m +| λ|2 ϕ− (x), ϕ+ (y) m = (| κ|2 m | λ|2 ) + (x − y),

ϕ(x), ϕ(y) m = κλe ϕ+ (x), ϕ− (y) m + ϕ− (x), ϕ+ (y) m j = κλ(1 m 1) + (x − y).

Оба эти выражения будут обращаться в нуль тогда и только тогда, когда частица является бозоном (т. е. когда берется верхний знак),

а величины κ è λ равны:

|κ| = |λ| .

Относительную фазу κ è λ можно изменить путем переопределения

фаз состояний, так что a(p) → eiαa(p), a†(p) → e–iαa†(p), откуда κ → κeiα, λ → λe–iα. Выбирая α = Arg(λ/κ)/2, можно таким образом

сделать равными фазы κ è λ, а следовательно, и сами эти величины.

Переопределяя ϕ(x),

чтобы поглотить общий

множитель

κ = λ, имеем окончательно

ϕ(x) = ϕ+ (x) + ϕ+† (x) = ϕ† (x).

(5.2.10)

Итак, гамильтониан взаимодействия H (x) будет коммутировать с H (y) на пространственноподобных расстояниях x – y, если он будет построен как нормально упорядоченный полином по самосопряженному скалярному полю ϕ(x).

270

Глава 5. Квантовые поля и античастицы

Хотя выбор относительной фазы двух слагаемых в (5.2.10) есть вопрос соглашения, но приняв его, мы должны использовать это соглашение везде, где бы не появилось скалярное поле данной частицы в плотности гамильтониана взаимодействия. Например, предположим, что плотность гамильтониана взаимодействия вклю- чает не только поле (5.2.10), но и другое скалярное поле такой же частицы

ϕ~(x) = eiαϕ+ (x) + e−iαϕ+†(x) ,

ãäå α — произвольная фаза. Поле ϕ~ , êàê è ϕ, будет причинным в том смысле, что ϕ~(x) коммутирует с ϕ~(y) на пространственноподобных растояниях x − y, íî ϕ~(x) не будет при этом коммутировать с ϕ(y).

Поэтому в одной теории не могут появиться оба таких поля.

Если частицы, уничтожающиеся и рождающиеся полем ϕ(x),

обладают некоторым сохраняющимся квантовым числом типа электрического заряда, то H (x) будет сохранять это число только в том случае, если каждое слагаемое в H (x) содержит равное число операторов a(p) и a(p)†. Но это невозможно, если H (x) построен как полином по полю ϕ(x) = ϕ+(x) + ϕ+†(x). Иными словами, для того,

чтобы H (x) коммутировал с оператором заряда Q (или каким-то другим генератором симметрии), необходимо, чтобы оператор взаимодействия был построен из полей, имеющих простые перестановочные соотношения с Q. Это верно для ϕ+(x) и сопряженного ему

поля, для которых

[Q, ϕ+ (x)]− = −qϕ+ (x), [Q, ϕ+† (x)]− = +qϕ+† (x).

Но это не выполняется для самосопряженного поля (5.2.10).

Выход из положения заключается в том, чтобы предположить существование двух бесспиновых бозонов одинаковой массой m, но зарядами +q и –q, соответственно. Пусть ϕ+(x) è ϕ+c(x) — ïîëÿ

уничтожения для этих двух частиц, так что *

* Индекс «с» означает «зарядовое сопряжение». Следует помнить, что частица, не несущая никакого сохраняющегося квантового числа, может как быть, так и не быть своей собственной античастицей с ac(p) = a(p)

5.2. Причинные скалярные поля

271

[Q, ϕ+ (x)]− = −qϕ+ (x), [Q, ϕ+c(x)]− = +qϕ+c(x).

Определим ϕ(x) как линейную комбинацию

ϕ(x) = κϕ+ (x) + λϕ+c† (x) ,

имеющую явно тот же коммутатор с Q, как и отдельное поле ϕ+(x):

[Q, ϕ(x)]− = −qϕ(x).

Тогда на пространственных расстояниях коммутатор или антикоммутатор ϕ(x) с сопряженным ему полем равен

ϕ(x), ϕ† (y)

= | κ|2

ϕ+ (x), ϕ+† (y)

m

+| λ|2

ϕ+c† (x), ϕ+c (y)

m

m

= (| κ|2 m | λ|2 ) + (x − y),

в то время как ϕ(x) è ϕ(y) автоматически коммутируют или антикоммутируют друг с другом для всех x и y, так как ϕ+ è ϕ+c†

уничтожают и рождают разные частицы. При получении этого результата мы молчаливо предполагали, что массы частиц и анти- частиц одинаковы, так что коммутаторы или антикоммутаторы

содержат одну и ту же функцию +(x – y). Случай статистики Ферми снова исключается, так как ϕ(x) может антикоммутировать с ϕ†(y) на пространственноподобных расстояниях только при κ = λ =

= 0, а при этом поля обращаются в нуль. Таким образом бесспиновая частица должна быть бозоном.

В случае бозе−статистики, для того, чтобы комплексное поле ϕ(x) коммутировало с ϕ†(y) на пространственноподобных расстояниях, необходимо и достаточно, чтобы |κ|2 = |λ|2 и массы частиц

и античастиц были бы одинаковы. Переопределяя относительную фазу состояний этих двух частиц, снова можно сделать равными фазы κ è λ, и тогда κ = λ. Этот общий множитель можно исключить переопределением поля ϕ, òàê ÷òî

ϕ(x) = ϕ+ (x) + ϕ+c† (x),

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/280974