LSZ 约化公式

上一篇中,我们讨论了对两点关联函数的傅里叶变换。我们将其看作 p2p^2 的函数,其在单粒子态处有一极点:

d4xeipxΩTϕ(x)ϕ(0)Ωp2m2iZp2m2+iϵ(1)\int d^4x e^{ip\cdot x} \langle \Omega|T\phi(x)\phi(0)|\Omega\rangle \underset{p^2\rightarrow m^2}{\sim} \frac{iZ}{p^2-m^2+i\epsilon}\tag{1}

这一篇中,我们想要推广这个结果到高阶关联函数,并给出关联函数与散射矩阵的一般关系。相关理论由 Lehmann, Symanzik 与 Zimmermann 首先得到,被称为 LSZ 约化公式 LSZ reduction formula。为了简单起见,我们下面以标量场为例进行说明。

例如我们想要计算 2n2\rightarrow n 的散射过程。那么关联函数将具有 n+2n+2 个场量。为此,我们需要考虑如下 n+2n+2 点关联函数的傅里叶变换:

d4xeipxΩTϕ(x)ϕ(z1)ϕ(z2)Ω(2)\int d^4x e^{ip\cdot x} \langle \Omega|T\phi(x)\phi(z_1)\phi(z_2)\cdots|\Omega\rangle\tag{2}

现在可以将式 (2)(2) 看作 pp 的解析函数,我们现在关心其以 p0p^0 为变量的极点。为此,我们将对 x0x^0 的积分区域分为如下三个部分:

  1. x0<Tx^0<T_{-}

  2. T<x0<T+T_{-}<x^0<T_{+}

  3. x0>T+x^0>T_{+}

其中 T<min{z10,z20}T_{-} < min\{z_1^{0},z_2^{0}\cdots\}T+>max{z10,z20}T_{+} > max\{z_1^{0},z_2^{0}\cdots\}。对于有界区域 22p0p^0 仅出现在指数 exp(ip0x0)\exp(ip^0x^0) 中,因此该区域的贡献将是解析的。可能的极点仅可能出现在区域 1,31,3 中。例如考虑区域 33,此时 x0x^0 大于所有的 zi0z_i^0。因此作时序积后,ϕ(x)\phi(x) 总出现在第一个,我们可以把 ϕ(x)\phi(x) 同剩下的场量分开,并在它们之间插入一个恒等算子:

1=λd3q(2π)312Eq(λ)λqλq\bm{1} = \sum_{\lambda} \int \frac{d^3q}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_{\bm{q}}(\lambda)}|\lambda_{\bm{q}}\rangle\langle\lambda_{\bm{q}}|

这一段的关联函数可以写为:

T+dx0d3xeip0x0eipxλd3q(2π)312Eq(λ)Ωϕ(x)λqλqT{ϕ(z1)ϕ(z2)}Ω=λT+dx0d3q(2π)312Eq(λ)eip0x0eiq0x0eϵx0Ωϕ(0)λ0(2π)3δ(3)(pq)λqT{ϕ(z1)ϕ(z2)}Ω=λ12Ep(λ)iei(p0Ep+iϵ)T+p0Ep(λ)+iϵΩϕ(0)λ0λqT{ϕ(z1)ϕ(z2)}Ω\begin{aligned} &\int_{T_{+}}^{\infty}dx^0 \int d^3x e^{ip^0x^0}e^{-i\bm{p}\cdot\bm{x}}\sum_{\lambda} \int \frac{d^3q}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_{\bm{q}}(\lambda)}\langle\Omega|\phi(x)|\lambda_{\bm{q}}\rangle\langle\lambda_{\bm{q}}|T\{\phi(z_1)\phi(z_2)\cdots\}|\Omega\rangle\\ =& \sum_{\lambda}\int_{T_{+}}^{\infty}dx^0 \int \frac{d^3q}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_{\bm{q}}(\lambda)}e^{ip^0x^0}e^{-iq^0x^0}e^{-\epsilon x^0} \langle \Omega|\phi(0)|\lambda_0\rangle(2\pi)^3\delta^{(3)}(\bm{p}-\bm{q})\langle\lambda_{\bm{q}}|T\{\phi(z_1)\phi(z_2)\cdots\}|\Omega\rangle\\ =& \sum_{\lambda} \frac{1}{2E_{\bm{p}}(\lambda)}\frac{ie^{i(p^0-E_{\bm{p}}+i\epsilon)T_+}}{p^0-E_{\bm{p}}(\lambda)+i\epsilon}\langle\Omega|\phi(0)|\lambda_0\rangle\langle\lambda_{\bm{q}}|T\{\phi(z_1)\phi(z_2)\cdots\}|\Omega\rangle\\ \end{aligned}

在极点 p0=p2+m2p^0 = \sqrt{|\bm{p}|^2+m^2} 附近,有:

d4xeipxΩTϕ(x)ϕ(z1)ϕ(z2)Ωp0+Epip2m2+iϵZpT{ϕ(z1)}Ω(3)\int d^4x e^{ip\cdot x} \langle \Omega|T\phi(x)\phi(z_1)\phi(z_2)\cdots|\Omega\rangle \underset{p^0\rightarrow + E_{\bm{p}}}{\sim} \frac{i}{p^2-m^2+i\epsilon}\sqrt{Z}\langle\bm{p}|T\{\phi(z_1)\cdots\}|\Omega\rangle\tag{3}

同理,在区域 11,有:

d4xeipxΩTϕ(x)ϕ(z1)ϕ(z2)Ωp0EpΩT{ϕ(z1)}pZip2m2+iϵ(4)\int d^4x e^{ip\cdot x} \langle \Omega|T\phi(x)\phi(z_1)\phi(z_2)\cdots|\Omega\rangle \underset{p^0\rightarrow - E_{\bm{p}}}{\sim} \langle\Omega|T\{\phi(z_1)\cdots\}|-\bm{p}\rangle\sqrt{Z}\frac{i}{p^2-m^2+i\epsilon}\tag{4}

为了得到有关剩余的场量坐标 z1,z2,z_1,z_2,\cdots 的信息,我们需要将傅里叶变换做一些修改,我们将傅里叶变换的平面波换成一个波包,其中 φ(k)\varphi(\bm{k}) 的中心为 k=p\bm{k} = \bm{p}

d4xeip0x0eipxd3k(2π)3d4xeip0x0eikxφ(k)(5)\int d^4x e^{ip^0x^0}e^{-i\bm{p}\cdot\bm{x}}\rightarrow \int \frac{d^3k}{(2\pi)^3} \int d^4x e^{ip^0x^0}e^{-i\bm{k}\cdot\bm{x}}\varphi(\bm{k})\tag{5}

φ(k)\varphi(\bm{k}) 退化为 δ\delta 函数时,就回到了傅里叶变换的情形。如此 (3)(3) 式成为:

d3k(2π)3d4xeip0x0eikxφ(k)ΩTϕ(x)ϕ(z1)ϕ(z2)Ω=λd3k(2π)3φ(k)12Ek(λ)ip0Ek(λ)+iϵΩϕ(0)λ0λkT{ϕ(z1)}Ωp0+Epd3k(2π)3φ(k)ip~2m2+iϵZkT{ϕ(z1)}Ω\begin{aligned} &\int \frac{d^3k}{(2\pi)^3} \int d^4x e^{ip^0x^0}e^{-i\bm{k}\cdot\bm{x}}\varphi(\bm{k}) \langle \Omega|T\phi(x)\phi(z_1)\phi(z_2)\cdots|\Omega\rangle\\ =& \sum_{\lambda}\int \frac{d^3k}{(2\pi)^3} \varphi(\bm{k}) \frac{1}{2E_{\bm{k}}(\lambda)} \frac{i}{ p^0 - E_{\bm{k}}(\lambda)+ i\epsilon}\langle \Omega|\phi(0)|\lambda_0\rangle\langle \lambda_{\bm{k}}|T\{\phi(z_1)\cdots\}|\Omega\rangle \\ \underset{p^0\rightarrow + E_{\bm{p}}}{\sim} & \int \frac{d^3k}{(2\pi)^3} \varphi(\bm{k})\frac{i}{\tilde{p}^2-m^2+i\epsilon}\sqrt{Z}\langle\bm{k}|T\{\phi(z_1)\cdots\}|\Omega\rangle\\ \end{aligned}

其中 p~=(p0,k)\tilde{p} = (p_0,\bm{k}),此时单粒子态对应的极点成为一个 branch cut。若对 (n+2)(n+2) 阶关联函数的每一个坐标进行如此变换,即:

(id3ki(2π)3d4xieip~ixiφi(ki))ΩT{ϕ(x1)ϕ(x2)}Ω(6)(\prod_i\int\frac{d^3k_i}{(2\pi)^3}\int d^4x_i e^{i \tilde{p}_i\cdot x_i}\varphi_i(\bm{k}_i))\langle\Omega|T\{\phi(x_1)\phi(x_2)\cdots\}|\Omega\rangle \tag{6}

我们在 x=0x = 0 时,选取这些波包相互重叠。而对于 xi0<Tx_i^0 < T_{-}xi0>T+x_i^0 > T_{+} 时,这些波包又相互分离。如此,我们可以进行与两点关联函数类似的分析。对于 xi0x_i^0 的积分来说,我们分为如下积分区域:

  1. xi0<Tx_i^0<T_{-}

  2. T<xi0<T+T_{-}<x_i^0<T_{+}

  3. xi0>T+x_i^0>T_{+}

对于区域 22 中的积分,当然得到一个关于 pi0p_i^0 解析的函数。因此我们只需要考虑区域 1,31,3。对于单个的 xi0x_i^0 来说,它既可能是位于区域 11 或是区域 33 的。不妨考虑下面这样的情形:仅有 x1x_1x2x_2 是位于区域 33 的,剩下的所有坐标都位于区域 11。那么我们就可以将时序积写为:

T{ϕ(x1)ϕ(x2)ϕ(x3)}=T{ϕ(x1)ϕ(x2)}T{ϕ(x3)}T\{\phi(x_1)\phi(x_2)\phi(x_3)\cdots\} = T\{\phi(x_1)\phi(x_2)\}T\{\phi(x_3)\cdots\}

设两粒子本征态为 λK\lambda_{\bm{K}},考虑其完备性关系:

(1)two particles=λd3K(2π)312EKλKλK(\bm{1})_{two\ particles} = \sum_{\lambda} \int \frac{d^3K}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_{\bm{K}}}|\lambda_{\bm{K}}\rangle\langle\lambda_{\bm{K}}|

对该 (n+2)(n+2) 点关联函数的 x1,x2x_1,x_2 进行变换,并插入恒等算子得到:

λd3K(2π)312EK(i=1,2d3ki(2π)3d4xieip~ixiφi(ki))×ΩT{ϕ(x1)ϕ(x2)}λKλKT{ϕ(x3)}Ω(7)\begin{aligned} \sum_{\lambda} \int \frac{d^3K}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_{\bm{K}}} (&\prod_{i=1,2}\int\frac{d^3k_i}{(2\pi)^3}\int d^4x_i e^{i \tilde{p}_i\cdot x_i}\varphi_i(\bm{k}_i))\\ &\times \langle\Omega|T\{\phi(x_1)\phi(x_2)\}|\lambda_{\bm{K}}\rangle\langle\lambda_{\bm{K}}|T\{\phi(x_3)\cdots\}|\Omega\rangle\\ \end{aligned}\tag{7}

λK\lambda_{\bm{K}} 含有的两个粒子是相互分离,彼此独立的两个态。那么我们可以把 λK\lambda_{\bm{K}} 写为两个单粒子态的直积态的形式:

λK=λq1λq2|\lambda_{\bm{K}}\rangle = |\lambda_{\bm{q}_1}\rangle|\lambda_{\bm{q}_2}\rangle

并且可以将时序符号去掉(无因果性)。

如此,我们可以将 (7)(7) 式改写为:

λ1,λ2d3q1(2π)312Eq1d3q2(2π)312Eq2(i=1,2d3ki(2π)3d4xieip~ixiφi(ki))×Ωϕ(x1)λq1Ωϕ(x1)λq2λq1λq2T{ϕ(x3)}Ωki0Eki(i=1,2d3ki(2π)3φi(ki)ip~i2m2+iϵZ)k1k2T{ϕ(x3)}Ω(8)\begin{aligned} &\sum_{\lambda_1,\lambda_2} \int \frac{d^3q_1}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_{\bm{q_1}}}\int \frac{d^3q_2}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_{\bm{q_2}}} (\prod_{i=1,2}\int\frac{d^3k_i}{(2\pi)^3}\int d^4x_i e^{i \tilde{p}_i\cdot x_i}\varphi_i(\bm{k}_i))\\ &\times \langle\Omega|\phi(x_1)|\lambda_{\bm{q_1}}\rangle\langle\Omega|\phi(x_1)|\lambda_{\bm{q_2}}\rangle\langle\lambda_{\bm{q}_1}\lambda_{\bm{q}_2}|T\{\phi(x_3)\cdots\}|\Omega\rangle\\ \underset{\bm{k}_i^0\rightarrow E_{\bm{k}_i}}{\sim}& (\prod_{i=1,2} \int \frac{d^3k_i}{(2\pi)^3}\varphi_i(\bm{k}_i)\frac{i}{\tilde{p}_i^2-m^2+i\epsilon}\cdot \sqrt{Z})\langle \bm{k}_1\bm{k}_2|T\{\phi(x_3)\cdots\}|\Omega\rangle\\ \end{aligned}\tag{8}

现在令 φ(ki)\varphi(\bm{k}_i) 趋近于 δ\delta 函数,那么上式子最后写为:

(i=1,2ipi2m2+iϵZ)p1p2T{ϕ(x3)}Ω(\prod_{i=1,2} \frac{i}{p_i^2-m^2+i\epsilon}\cdot \sqrt{Z})\langle \bm{p}_1\bm{p}_2|T\{\phi(x_3)\cdots\}|\Omega\rangle

对于处于区域 11 中的坐标 x3,x_3,\cdots,我们也应用相同的分析,最终得到如下结果:

(i=1,2ipi2m2+iϵZ)(i=3,ipi2m2+iϵZ)outp1p2p3in(\prod_{i=1,2} \frac{i}{p_i^2-m^2+i\epsilon}\cdot \sqrt{Z})(\prod_{i=3,\cdots} \frac{i}{p_i^2-m^2+i\epsilon}\cdot \sqrt{Z})_{out}\langle \bm{p}_1\bm{p}_2|-\bm{p}_3\cdots\rangle_{in}

最后一项不是别的,正是散射矩阵!我们将这个结果一般化:

1nd4xieipixi1md4yieikiyiΩT{ϕ(x1)ϕ(xn)ϕ(y1)ϕ(ym)}Ωpi0Epi,ki0Eki(i=1nZipi2m2+iϵ)(j=1mZikj2m2+iϵ)p1pnSk1km(9)\begin{aligned} &\prod_{1}^{n}\int d^4x_i e^{ip_i\cdot x_i} \prod_{1}^{m}\int d^4y_i e^{-ik_i\cdot y_i}\langle\Omega|T\{\phi(x_1)\cdots \phi(x_n)\phi(y_1)\cdots \phi(y_m)\}|\Omega\rangle\\ \underset{\bm{p}_i^0\rightarrow E_{\bm{p}_i},\bm{k}_i^0\rightarrow E_{\bm{k}_i}}{\sim}& (\prod_{i=1}^{n} \frac{\sqrt{Z} i}{p_i^2-m^2+i\epsilon})(\prod_{j=1}^{m} \frac{\sqrt{Z} i}{k_j^2-m^2+i\epsilon})\langle \bm{p}_1\cdots \bm{p}_n|S|\bm{k}_1\cdots\bm{k}_m\rangle \tag{9} \end{aligned}

这就是 LSZ 约化公式。它给出了一种计算散射矩阵的方法:对关联函数做合适的傅里叶变换,并找到在对应的多粒子态 mass shell 附近的系数。

下面结合费曼图对式 (9)(9) 进行一些说明。在上一篇介绍电子自能图的时候,我们用 iM2(p2)-iM^2(p^2) 表示一个单粒子不可约图的贡献:

那么考虑如下图的值:

计算结果为:

ip2m02M2(p2)p0EpiZp2m2\frac{i}{p^2 - m_0^2 - M^2(p^2)} \underset{p^0\rightarrow E_{\bm{p}}}{\sim} \frac{iZ}{p^2-m^2}

对于一个四点关联函数来说,其对应的费曼图为:

其将包含如下的结构:

iZp12m2iZp22m2iZk12m2iZk22m2\frac{iZ}{p_1^2-m^2}\frac{iZ}{p_2^2-m^2}\frac{iZ}{k_1^2-m^2}\frac{iZ}{k_2^2-m^2}

与 LSZ 理论相比较,得到:

p1p2Sk1k2=(Z)4iMamputated\langle \bm{p}_1\bm{p}_2|S|\bm{k}_1\bm{k}_2\rangle = (\sqrt{Z})^{4}i\mathcal{M}_{amputated}

其中 iMamputatedi\mathcal{M}_{amputated} 为以下费曼图的值:

光学定理

量子场论笔记(九):散射矩阵 中利用散射矩阵的幺正性,我们给出了光学定理。这里再用费曼图的语言进行简单说明。

利用散射矩阵的幺正性 SS=1S^\dagger S =1 得到:

S=1+iTi(TT)=TT\begin{aligned} S &= 1+iT\\ -i(T-T^\dagger) &= T^\dagger T\\ \end{aligned}

左右两边分别用出射态、入射态作用,最后结果为:

i[M(ab)M(ba)]=fdΠfM(bf)M(af)(10)-i[\mathcal{M}(a\rightarrow b) - \mathcal{M}^*(b\rightarrow a)] = \sum_f \int d\Pi_f \mathcal{M}^*(b\rightarrow f)\mathcal{M}(a\rightarrow f)\tag{10}

用费曼图表示为:

对于费曼图对散射矩阵的贡献,其大部分情况下都是实的。除非当其中某些粒子在壳时,分母中引入的 iϵi\epsilon 才会使费曼图的贡献产生虚部。现在,我们用 M\mathcal{M} 表示费曼图的值,s=Ecm2s = E_{cm}^2,将 M\mathcal{M} 看作一个关于 ss 的解析函数。令 s0s_0 为产生最轻的多粒子态的阈值,那么对于 s<s0,sRs < s_0,s\in\mathbb{R}M(s)\mathcal{M}(s) 为实数,而费曼规则限制了 M\mathcal{M} 的形式,那么有:

M(s)=[M(s)](11)\mathcal{M}(s) = [\mathcal{M}(s^*)]^*\tag{11}

两边均为 ss 的解析函数,我们因此可以把这个关系解析延拓到整个复平面上。特别地,考虑在实轴附近,有:

ReM(s+iϵ)=ReM(siϵ)ReM(s+iϵ)=ImM(siϵ)(12)\begin{aligned} &\mathrm{Re}\mathcal{M}(s+i\epsilon) = \mathrm{Re}\mathcal{M}(s-i\epsilon)\\ &\mathrm{Re}\mathcal{M}(s+i\epsilon) = - \mathrm{Im}\mathcal{M}(s-i\epsilon)\\ \end{aligned}\tag{12}

因此在 ss0s\geqslant s_0 时,实轴处存在 branch cut,不连续值为:

DiscM(s)=M(s+iϵ)M(siϵ)=2iImM(s+iϵ)(13)\begin{aligned} \mathrm{Disc}\mathcal{M}(s) &= \mathcal{M}(s+i\epsilon) - \mathcal{M}(s-i\epsilon)\\ &= 2i\mathrm{Im}\mathcal{M}(s+i\epsilon)\\ \end{aligned}\tag{13}


下面以 ϕ4\phi^4 理论为例,对 M\mathcal{M} 的 branch cut 进行说明。

费曼图

考虑一个在 s-channel 上具有一个圈的费曼图。

通过 wick rotation,该费曼图的值写为:

iδM=λ22d4q(2π)41(k/2q)2m2+iϵ1(k/2+q)2m2+iϵ(14)\begin{aligned} i\delta \mathcal{M} = \frac{\lambda^2}{2}\int \frac{d^4q}{(2\pi)^4} \frac{1}{(k/2-q)^2 - m^2 + i\epsilon}\frac{1}{(k/2+q)^2 - m^2 + i\epsilon}\tag{14} \end{aligned}

不妨在质心系中考虑问题,此时取 k=(k0,0)k = (k^0,\bm{0}),上式将存在四个极点:

q0=12k0±(Eqiϵ)q0=12k0±(Eqiϵ)\begin{aligned} q^0 = \frac{1}{2}k^0 \pm (E_{\bm{q}} -i\epsilon)\\ q^0 = -\frac{1}{2}k^0 \pm (E_{\bm{q}} -i\epsilon)\\ \end{aligned}

我们选取积分围线向下闭合。如此以下有两个极点被包括:

q0=±12k0+Eqiϵq^0 = \pm\frac{1}{2}k^0 + E_{\bm{q}} -i\epsilon

其中,只有极点 q0=12k0+Eqiϵq^0 = -\frac{1}{2}k^0 + E_{\bm{q}} -i\epsilon 是在 mass shell 附近的,将对该费曼图的不连通性有贡献。由留数定理得到:

iδM=2πiλ22d3q(2π)412Eq1(k0Eq)2Eq2=2πiλ22d3q(2π)412Eq1(k0Eq)2Eq2=2πiλ224π(2π)4mdEqEqq12Eq1k0(k02Eq)(15)\begin{aligned} i\delta \mathcal{M} &= -2\pi i\frac{\lambda^2}{2}\int \frac{d^3q}{(2\pi)^4}\frac{1}{2E_{\bm{q}}}\frac{1}{(k^0-E_{\bm{q}})^2 - E_{\bm{q}}^2}\\ &= -2\pi i\frac{\lambda^2}{2}\int \frac{d^3q}{(2\pi)^4}\frac{1}{2E_{\bm{q}}}\frac{1}{(k^0-E_{\bm{q}})^2 - E_{\bm{q}}^2}\\ &= -2\pi i\frac{\lambda^2}{2}\frac{4\pi}{(2\pi)^4}\int_{m}^{\infty} dE_{\bm{q}}E_{\bm{q}}|\bm{q}| \frac{1}{2E_{\bm{q}}}\frac{1}{k^0(k^0-2E_{\bm{q}})}\\ \end{aligned}\tag{15}

应用留数定理的过程等价于作如下替代:

1(k/2+q)2m2+iϵ2πiδ((k/2+q)2m2)\frac{1}{(k/2+q)^2-m^2+i\epsilon} \rightarrow -2\pi i\delta((k/2+q)^2-m^2)

最后一行表达式中出现了有关 EqE_{\bm{q}} 的极点 Eq=k0/2E_{\bm{q}} = k_0/2
考虑到能量 EqE_{\bm{q}} 总不小于 mm。因此当 k0<2mk_0 < 2m 时,对 EqE_{\bm{q}} 的积分将不经过 k02\frac{k^0}{2},对应的结果是解析的。而对于 k0>2mk^0 > 2m,令极点位于实轴上方或是下方将给出不同的结果,因此出现 branch cut。

应用以下公式:

1k02Eq±iϵ=P1k02Eqiπδ(k02Eq)\frac{1}{k^0 - 2E_{\bm{q}} \pm i\epsilon} = P\frac{1}{k^0 - 2E_{\bm{q}}} \mp i\pi \delta(k^0-2E_{\bm{q}})

其中不连续的部分来自于 δ\delta 函数,对 δM\delta M 不连续性的计算等价于做如下替换:

1(k/2q)2m2+iϵ2πiδ((k/2q)2m2)\frac{1}{(k/2-q)^2-m^2+i\epsilon} \rightarrow -2\pi i\delta((k/2-q)^2-m^2)

再次回到 (15)(15) 式,我们将其重写为:

iδM=λ22d4p1(2π)4d4p2(2π)41p12m2+iϵ1p22m2+iϵδ(4)(p1+p2k)i\delta \mathcal{M} = \frac{\lambda^2}{2}\int \frac{d^4p_1}{(2\pi)^4}\int \frac{d^4p_2}{(2\pi)^4} \frac{1}{p_1^2 - m^2 + i\epsilon}\frac{1}{p_2^2 - m^2 + i\epsilon}\delta^{(4)}(p_1+p_2-k)

为了计算 δM\delta \mathcal{M} 的不连续性,我们只需要做以下替换:

1pi2m2+iϵ2πiδ(pi2m2)(16)\frac{1}{p_i^2-m^2+i\epsilon} \rightarrow -2\pi i\delta(p_i^2-m^2)\tag{16}

得到:

iδM=λ22d3p1(2π)312E1d3p2(2π)312E2δ(4)(p1+p2k)i\delta \mathcal{M} = -\frac{\lambda^2}{2}\int \frac{d^3p_1}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_1} \int \frac{d^3p_2}{(2\pi)^3} \frac{1}{2E_2}\delta^{(4)}(p_1+p_2-k)

其中,λ2\lambda^2 正好是领头阶散射振幅的模方:

M(k)2=λ2|\mathcal{M}(k)|^2 = \lambda^2

因此有:

DiscM(k)=i2d3p1(2π)312E1d3p2(2π)312E2M(k)2δ(4)(p1+p2k)\mathrm{Disc}\mathcal{M}(k) = \frac{i}{2}\int \frac{d^3p_1}{(2\pi)^3}\frac{1}{2E_1} \int \frac{d^3p_2}{(2\pi)^3} \frac{1}{2E_2} |\mathcal{M}(k)|^2 \delta^{(4)}(p_1+p_2-k)

到此在 ϕ4\phi^4 理论中,我们验证公式 (10)(10)。我们发现:如果两个传播子同时在壳,那么会出现 branch cut,导致跃迁矩阵元的不连续性出现。

Cutkosky 证明了如下计算不连续性的普遍方法:

  1. 将费曼图进行所有可能的分割,使得被分割的传播子能够同时在壳。
  2. 对于每一个被分割的传播子,做替代 1/(pi2m2+iϵ)2πiδ(pi2m2)1/(p_i^2-m^2+i\epsilon) \rightarrow -2\pi i\delta(p_i^2-m^2)
  3. 将所有可能的分割方式的贡献求和。

以 Bhabha 散射为例,根据光学定理有:


下面我们应用光学定理处理关于一个标量粒子的两点关联函数:

其值为:

ip2m02M2(p2)\frac{i}{p^2-m_0^2-M^2(p^2)}

利用 LSZ 约化公式,有:

M(pp)=ZM2(p2)(17)\mathcal{M}(p\rightarrow p) = -ZM^2(p^2)\tag{17}

对于这个标量粒子是稳定的情况(不发生衰变),那么将没有可能的末态对 (10)(10) 式的右边有贡献,如此得到 M2(p2)M^2(p^2) 是实数。决定这个粒子质量的方程:

m2m02M2(m2)=0(18)m^2 - m_0^2 -M^2(m^2) = 0 \tag{18}

将具有一个实值极点 mm

对于这个标量粒子不稳定的情况(粒子可以发生衰变,生成多个更轻的粒子),M2(p2)M^2(p^2) 将具有虚部。我们将 (18)(18) 式修改为:

m2m02ReM2(m2)=0(19)m^2 - m_0^2 - \mathrm{Re} M^2(m^2) = 0 \tag{19}

如此,我们可以得到:

iZp2m2iZImM2(p2)(20)\frac{iZ}{p^2-m^2 - iZ\mathrm{Im}M^2(p^2)} \tag{20}

在极点附近,散射截面将具有形式:

σ1sm2iZImM2(p2)\sigma\propto |\frac{1}{s-m^2-iZ\mathrm{Im}M^2(p^2)}|

根据 Breit-Wigner 公式,在共振态附近的散射截面为:

σ1p2m2+imΓ2\sigma \propto |\frac{1}{p^2-m^2+im\Gamma}|^2

那么可以得到衰变速率的表达式:

Γ=ZmImM2(m2)(21)\Gamma = -\frac{Z}{m}\mathrm{Im}M^2(m^2) \tag{21}

这个表达式根据 (10)(10) 式就能够转换为我们熟悉的表达式:

Γ=12mfdΠfM(pf)2(22)\Gamma = \frac{1}{2m}\sum_f\int d\Pi_f |\mathcal{M}(p\rightarrow f)|^2 \tag{22}