首页返回

散射问题的渐近理论与 S 矩阵

以下分析中默认选择 Heisenberg 绘景, 时空维数为 d=D+1, 其中 D 为空间维数, 并且以实标量场为例进行分析.

自由场系统的生成泛函

对于自由场算子, 设其满足自由场方程

(1)D(x)ϕ(x)=0,

其中 D(x)=(2+m2). ϕ 可以展开为

(4)ϕ(x)=dDk[akφk(x)+akφk(x)],

其中 φk(x)=φk(t,x)=1(2π)32ωkei(ωktkx), ωk=|k|2+m2, [ak,ak]=δ(D)(kk), 系统的真空态定义为 ak|0=0.

其生成泛函 Z0(J) 定义为

(5)Z0(J)=0|Texp[iddxJ(x)ϕ(x)]|0,

可以证明

(6)Z0(J)=exp{12ddxddyiJ(x)iΔF(x,y)iJ(y)}.

相互作用场系统的生成泛函

相互作用场系统的拉氏密度 L​ 包括自由部分 L0​ 和相互作用部分 LI​, L=L0+LI, 相应的作用量为 S=S0+SI. 其场算子的运动方程为

(7)D(x)ϕ(x)=(LIϕμLIμϕ).

其生成泛函 Z(J) 定义为

(8)Z(J)=0|Texp[iddxJ(x)ϕ(x)]|0,

可以证明

(9)Z(J)=exp[iSI(δiδJ,δiδJ)]Z0(J).

渐近场与渐近态

设系统的哈密顿量可以分为自由部分和相互作用部分,

(10)H(t)=H0(t)+H(t).

由力学量的运动方程,

(11)iO˙(t)=[O(t),H(t)],

可知 H˙(t)=0, 即 H(t) 实际上不含时. 因此将其记为 H(t)=H. 但由于 H0(t) 以及 H(t) 一般并不与 H 对易, 因此一般情况下 H˙0(t)H˙(t) 并不为零, 总结起来即有

(12)H=H0(t)+H(t),

即两个含时的部分相加得到一个不含时的总哈密顿量.

为了研究散射问题, 引入两套渐近的自由场论, 分别称为 in 场和 out 场, 统称为 as 场. 在这两套渐近的自由场论中, 系统按自由哈密顿量 H0as(t) 演化, 即

(13)iO˙as(t)=[Oas(t),H0as(t)],

由此可知,

(14)H˙0as(t)=0,

H0as(t) 实际上不含时, 因此将其记为 H0as(t)=H0as. 但由于 Has(t) 以及 Has(t) 一般并不与 H0as 对易, 因此一般情况下 H˙as(t)H˙as(t) 并不为零, 总结起来即有

(15)H0as=Has(t)Has(t),

即两个含时的部分相减得到一个不含时的自由哈密顿量.

与两套渐近场论相应的, 存在两套渐近态 |in|out, 即

(16)H0in|α,in=Eα|α,in;H0out|α,out=Eα|α,out.

从散射问题的物理情况考虑, 可以设 H0asH 具有相同的谱. 对于力学量 O 有如下渐近条件,

(17)Oin=O();Oout=O(+).

在渐近场论中, 由力学量 Oas(t)​ 的演化方程

(18)iO˙as(t)=[Oas(t),H0as]

可以解得

(19)Oas(t)=eiH0as(tt0)Oas(t0)eiH0as(tt0).

另外, 在非渐近场论中, 由力学量 O(t) 的演化方程

(20)iO˙(t)=[O(t),H]

可以解得

(21)O(t)=eiH(tt0)O(t0)eiH(tt0).

由渐近条件可知,

(22)Oin(t)=eiH0in[t()]eiH[t()]O(t)eiH[t()]eiH0in[t()].

从而

(23)H0in=eiH0in[(+)()]eiH[(+)()]H0(+)eiH[(+)()]eiH0in[(+)()],

定义 U(t,t0)=eiH0in[tt0]eiH[tt0], 则 H0in=U(+,)H0U(+,). 而由于

(24)H0out=H0(+),

因此

(25)H0in=eiH0in[(+)()]eiH[(+)()]H0outeiH[(+)()]eiH0in[(+)()],

由此可得

(26)H0ineiH[(+)()]|α,out=EαeiH[(+)()]|α,out,

从而

(27)eiH[(+)()]|α,out|α,in,

|α,in|α,out 均已归一化, 则上述比例系数的模为 1, 因此可以设为 eiφα​, 即

(28)eiH[(+)()]|α,out=eiφα|α,in.

S 算子与 S 矩阵

定义 S 算子为 |α,out|α,in 之间的幺正变换算子,

(29)|α,in=S|α,out,

S 算子在 in 态的矩阵元为

(30)Sβα=β,in|S|α,in=β,out|α,in,

其物理意义即为 t 时刻的 |α,in 渐近态演化至 t+ 时刻后处于 |β,out 渐近态的振幅. 由 (28) 可知, S 矩阵元可以有一个任意的相位因子, 由此可知

(31)Sβα=eiφββ,in|eiH[(+)()]|α,in,

为了方便, 将相位 φβ 选为 Eβ[(+)()], 由此可将 S 矩阵元写为

(32)Sβα=β,in|eiEβ[(+)()]eiH[(+)()]|α,in=β,in|eiH0in[(+)()]eiH[(+)()]|α,in=β,in|U(+,)|α,in,

由此可以将 S 算子定义为

(33)S=U(+,).

只需求出 U(t,t0), 即可求出 S 算子. 为了确保 t>t0, 将 t0 取为 , 则

(34)U(t,)=eiH0in[t()]eiH[t()].

这只是一个形式表达式, 无法进行具体计算. 为了将其改写为可以实际计算的形式, 将 U(t,)it 求导,得

(35)itU(t,)=eiH0in[t()](HH0in)eiH[t()]=eiH0in[t()]HeiH[t()]H0inU(t,)=eiH0in[t()]HeiH0in[t()]U(t,)H0in=(Hin(t)H0in)U(t,)=Hin(t)U(t,),

由初始条件 U(,)=1, 可以解得

(36)U(t,)=Texp[itdtHin(t)],

由此可知

(37)S=U(+,)=Texp[i+dtHin(t)].

明确而言, 由于 Hin(t)=dDxH(ϕin(t,x),πin(t,x))=dDxLI(ϕin(t,x),ϕin(t,x)), 其中 HLI 分别为系统哈氏密度和拉氏密度的相互作用部分, 由此可知,

(38)S=Texp[i+dtHin(t)]=Texp[i+dtH(ϕin(t),πin(t))]=Texp[iddxLI(ϕin(x),ϕin(x))]=TeiddxLI(δiδJ(x),δiδJ(x))eiddxJ(x)ϕin(x)|J=0=eiddxLI(δiδJ(x),δiδJ(x))TeiddxJ(x)ϕin(x)|J=0=eiSI(δiδJ,δiδJ)TeiddxJ(x)ϕin(x)|J=0,

S(J)=eiSI(δiδJ,δiδJ)TeiddxJ(x)ϕin(x), 则 S=S(J=0).

若算子 A, B 满足 [[A,B],A]=[[A,B],B]=0, 有 eAeB=eA+Be12[A,B].

对于渐近 in 算子 Ain(t), 假设 [Ain(t),Ain(t)]c 数, 有

(39)Tet0tdtAin(t)=Net0tdtAin(t)e12t0tdtdt0,in|TAin(t)Ain(t)|0,in,

其中 |0,in 为 in 场的基态. 又由于

(40)0,in|Tϕin(x)ϕin(y)|0,in=iΔF(x,y);D(x)ϕin(x)=0;D(x)ΔF(x,y)=δ(d)(x,y),

因此,

(41)S(J)=eiSI(δiδJ,δiδJ)TeiddxJ(x)ϕin(x)=eiSI(δiδJ,δiδJ)NeiddxJ(x)ϕin(x)e12ddyddziJ(y)iΔF(y,z)iJ(z)=eiSI(δiδJ,δiδJ)Neddxϕin(x)D(x)δδJ(x)e12ddyddziJ(y)iΔF(y,z)iJ(z)=Neddxϕin(x)D(x)δδJ(x)eiSI(δiδJ,δiδJ)e12ddyddziJ(y)iΔF(y,z)iJ(z)=Neiddxϕin(x)D(x)δiδJ(x)eiSI(δiδJ,δiδJ)Z0(J)=Neiddxϕin(x)D(x)δiδJ(x)Z(J),

从而

(42)S={N[eiddxϕin(x)D(x)δiδJ(x)]Z(J)}|J=0,

此即 S 算子的 LSZ 约化公式.