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

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

6.4. Выход с массовой оболочки

381

лочке в состояниях α è β и r внешними линиями типа l, m, ... с импульсами р, р′, ..., получается из вариационной производной

L

δrSβα [ε]

O

M

P

δε

(x)δε

M

(y). . . P

N

l

m

Qε =0

путем отбрасывания пропагаторов на каждой из линий вне массовой оболочки, взятия соотвтствующего фурье-образа и умножения на коэффициентные функции ul, ul* и т. д., а также на (−i)r.

Во многих случаях полезным оказывается простое соотношение между суммой вкладов всех диаграмм теории возмущений для любой амплитуды вне массовой поверхности и матричным элементом между собственными состояниями полного гамильтониана от хронологически упорядоченного произведения соответствующих операторов в гейзенберговском представлении. Это соотношение вытекает из теоремы 3, утверждающей, что во всех порядках теории возмущений *

L

δrSβα [ε]

O

Ψ−

Ψ+

M

P

=

d

, T −iO

(x),−iO

(y). . .

,

(6.4.3)

β

l

a

b

q

α i

M

δεa (x)δεb (y). . . P

N

Qε =0

ãäå Oa(x) и т. д. являются аналогами oa(x) в гейзенберговоском представлении:

O

(

x t

=

iHt o

a (

x

,0) exp(

−iHt

= Ω t o

x t

Ω−1

t

(6.4.4)

a

, )

exp( )

)

( )

a

( , )

( ) ,

Ω t

≡ eiHte−iH0t

,

(6.4.5)

( )

à Ψα+ è Ψβ− − собственные «ин» и «аут» состояния полного гамильтониа-

íà.

Дадим доказательство. Из формулы (3.5.10) следует, что левая часть (6.4.3) равна

*Для единственного оператора О это утверждение составляет швингеровский принцип действия 4.

382

Глава 6. Фейнмановские правила

L

d

rS

O

∞

(-i)

N+ r

∞

M

βα [e]

P

= å

z

dt1 . . . dtN

(x1). . . dea

M dea

(xr ) P

N=0

N !

N

1

r

Qε =0

−∞

(6.4.6)

´ eFβ , ToV(t1). . . V(tN )oa1 (x1). . . oar (xr )tFα j .

Для определенности положим x10 ³ x20

³ . . . ³ x0r

. Тогда все t,

большие x 0, можно обозначить

τ01 . . . τ0N

, âñå t между x

0 è x 0

-

τ11

1

0

1

2

. . . τ1N , и т. д. Наконец, все t, меньшие x

0, можно обозначить

1

. После этого (6.4.6) принимает вид:

r

τ r1 . . . τ rN

r

L

drSβα [e]

O

∞

(-i)N+ r

N ! dN,N0 +N1 +...Nr

M

P

= å

å

(x1). . . dea

M dea

(xr ) P

N=0

N ! N N

...N

N0

! N1 !. . .

Nr !

N

1

r

Qε =0

0

1

r

∞

x0

x0

1

r

´zx10 dt01 . . . dt0N0 zx20 dt11

. . . dt1N1 . . . z−∞ dtr1

. . . dtrNr

eFβ , ToV(t01). . . V(t0N0 )toa1 (x1)ToV(t11). . . V(t1N1 )toa2 (x2 ). . .

´ . . . oar (xr )ToV(tr1). . . V(trNr )tFα j .

Множитель N!/N0!N1!...Nr! равен числу способов рассортировать N переменных t по r+1 подмножествам, содержащим N0, N1, . . ., Nr

этих переменных. Вместо суммирования по N0, N1, . . .,Nr с учетом условия N0 + N1 + . . . + Nr = N, а затем суммирования по N, можно просто суммировать независимо по N0, N1, . . ., Nr, полагая N в множителе (-i)N равным N0 + N1 + . . . + Nr. Получаем:

L

drSβα [e]

O

M

P

= (-i)r eFβ , U(¥, x10 )oa1 (x1)

(x1). . . dea

M dea

(xr ) P

N

1

r

Qε =0

(6.4.7)

´ U(x10 , x20 )oa2 (x2 )U(x20 , x30 ). . . oar (xr )U(x0r ,-¥)Fα j ,

ãäå

∞

N

U(t¢, t) = å

(-i)

ztt′

dt1 . . . dtNTlV(t1). . . V(tN )q .

(6.4.8)

N=0

N !

6.4. Выход с массовой оболочки

383

Оператор U(t¢,t) удовлетворяет дифференциальному уравнению

d

U(t¢, t) = -iV(t¢)U(t¢, t)

(6.4.9)

dt¢

с очевидным начальным условием

U(t, t) = 1.

(6.4.10)

Оно имеет решение

U(t¢, t) = exp(iH0t¢) exp(-iH(t¢ - t)) exp(-iH0t) = W−1(t¢)W(t),

(6.4.11)

ãäå W дается формулой (6.4.5). Подставляя (6.4.11) в (6.4.7) и пользу-

ясь формулой (6.4.4), находим:

L

drSβα [e]

O

M

P

M dea

(x1). . . dea

(xr ) P

N

1

r

Qε =0

(6.4.12)

= (-i)r eW(¥)Fβ , Oa1 (x1). . . Oar (xr )W(-¥)Fα j .

При получении этой формулы было сделано предположение, что x10 ³ x20 ³ . . . ³ x0r , поэтому произведение операторов справа

можно заменить на хронологически упорядоченное произведение

L

drSβα [e]

O

M

P

M dea

(x1). . . dea

(xr ) P

N

1

r

Qε =0

(6.4.13)

= (-i)r eW(¥)Fβ , T{Oa1 (x1). . . Oar (xr )}W(-¥)Fα j .

Но теперь обе стороны равенства полностью симметричны (или антисиммметричны в случае фермионов) по a и x, так что это соотношение выполняется при любом порядке следования моментов времени x10...xr0. Кроме того, в разделе 3.1 мы видели, что

Yβ± = W(m¥)Fβ .

(6.4.14)

(в смысле соотношения (3.1.12)). Таким образом, формула (6.4.13) и есть желаемый результат (6.4.3).

384 Глава 6. Фейнмановские правила

Задачи

1. Рассмотрите теорию действительного скалярного поля ϕ ñî

взаимодействием

V = 3g! z d3xϕ(x)3

(в представлении взаимодействия). Вычислите связный элемент S-матрицы для скаляр−скалярного рассеяния во втором

порядке по g, взяв все интегралы. Используя этот результат, вычислите дифференциальное сечение скаляр−скалярного рас-

сеяния в с. ц. и.

2. Рассмотрите теорию, включающую нейтральное скалярное поле ϕ(x) для бозона В и комплексное дираковское поле ψ(x) äëÿ

фермиона F, взаимодействующих по закону

V = igz d3xψ(x)γ 5ψ(x)ϕ(x).

(в представлении взаимодействия). Нарисуйте все связные фейнмановские диаграммы в порядке g2 и вычислите соответствующие матричные элементы S-матрицы для процессов Fc + B → Fc + B, F + Fc → F + Fc è Fc + F → B + B (здесь Fc —

античастица F). Вычислите все интегралы.

3. Рассмотрите теорию действительного скалярного поля j(x) со взаимодействием

V = 4g! z d3xϕ(x)4.

Вычислите S-матрицу для скаляр−скалярного рассеяния в по-

рядке g и с помощью этого результата найдите дифференциальное сечение. Рассчитайте поправочные слагаемые в S-мат- рице для скаляр−скалярного рассеяния в порядке g2, âçÿâ âñå

интегралы по x и выразив результат в виде интеграла по единственному 4-импульсу.

4. Каков вклад в фейнмановские диаграммы от свертки производной дираковского поля ∂μψl(x) с сопряженным полем ψm†(y)?

Список литературы

385

5. С помощью теоремы из раздела 6.4 найдите выражения для средних по вакууму от гейзенберговских операторов (Ψ0,Φ(x)Ψ0) è (Ψ0,T{Φ(x),Φ(y)}Ψ0) в теории, рассмотренной в задаче 1, в

порядках g и g2, соответственно.

Список литературы

1. Dyson, F.J., Phys. Rev., 75, 486, 1736 (1949).

2. Формальное утверждение носит название теоремы Вика; см.: Wick, G.C., Phys. Rev., 80, 268 (1950).

3. Я не знаю, кто первым доказал эту теорему. Она была известна в начале 50-х годов ряду теоретиков, включая М. Гелл-Манна и Ф. Лоу.

4. Schwinger, J., Phys. Rev., 82, 914 (1951).

7

Канонический формализм

С конца 1920-х годов, когда квантовая теория поля родилась в работах Борна, Дирака, Ферми, Гейзенберга, Иордана и Паули, ее развитие исторически было настолько тесно связано с канониче- ским формализмом, что и в наши дни считается вполне естественным начинать любое рассмотрение с постулирования лагранжиана и применения к нему правил канонического квантования. Такой подход используется в большинстве книг по квантовой теории поля. Однако исторический прецедент — не самый убедительный довод в пользу этого формализма. Если нам удастся построить квантовую теорию поля, приводящую к физически удовлетворительной S-матрице, то какое нам дело до того, что эту теорию нельзя, может быть, получить квантованием какого-то лагранжиана?

Поставленный вопрос до некоторой степени спорный, так как в разделе 7.1 мы увидим, что все самые известные квантовые теории поля представляют собой канонические системы, которые легко могут быть представлены в лагранжевой форме. Однако никто не доказал, что любая приемлемая квантовая теория поля может быть сформулирована таким образом. Но даже если это так, то сам этот факт не объясняет, почему в качестве отправной точки при построении разных квантовых теорий поля следует предпочитать именно лагранжев формализм.

Преимущество лагранжевого формализма заключается в том, что он позволяет легко удовлетворить требованиям инвариантности относительно преобразований Лоренца и других симметрий: классическая теория с лоренц-инвариантным лагранжианом в результате канонического квантования приводит к лоренц-инвари- антной квантовой теории. Иначе говоря, мы покажем ниже, что

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