Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Сербо В. Г. Лекции по физике элементарных частиц

.pdf
Скачиваний:
273
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

31

В сечении объ¼м V исчезает:

 

 

M 2

Yf

d3p0

dσ = (2π)4 δ (p1 + p2 − Pf )

|

fi|

f

,

 

4I

2εf0 (2π)3

Для частного

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p1 + p2

→ p10

+ p20 имеем в с.ц.и.

ãäå I = |p1| (ε1 + ε2) =

 

(p1p2)2

− m12m22 инвариант М¼ллера.

 

случая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mfi

 

 

 

2

p0

| dΩ10 .

 

 

 

dσ = 8π (ε1 + ε2)

 

|p1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

|

 

 

 

 

 

 

2, òî

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если вести переменную t = (p1 − p10 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dσ =

 

|Mfi|

2

d (−t)

 

dϕ

.

 

 

 

 

 

64π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I2

 

 

2π

12. Первый порядок теории возмущений

+ˆ

12.1.Взаимодействие gϕˆ ϕˆΦ

Рассмотрим взаимодействие частиц комплексного скалярного поля ϕ (x) и действитель-

ˆ

ного скалярного поля Φ (x). Для него оператор S в первом порядке имеет вид

Z

ˆ(1) − 4 + ˆ

S = ig d xϕˆ (x) ϕˆ (x) Φ (x)

(здесь нет разных врем¼н и поэтому оператор

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T опущен).

 

 

Ïîëå

p

aˆp

 

2εp

 

 

+ ˆbp+

2εp

! ,

ϕˆ (x) =

 

 

 

 

X

 

e−ipx

 

 

eipx

 

 

 

 

p

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

V

 

 

V

содержит слагаемые, соответствующие уничтожению частицы с 4-импульсом p (оператор aˆp)

ˆ+

или рождению античастицы с 4-импульсом p (оператор bp )

Ïîëå

p

aˆp+

 

2εp

 

+ ˆbp

 

2εp

 

! ,

ϕˆ+ (x) =

 

 

 

 

 

X

 

eipx

 

 

e−ipx

 

 

 

p

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

V

 

 

V

 

содержит слагаемые, соответствующие рождению частицы (оператор aˆ+p )

или уничтожению античастицы (оператор ˆ bp)

|0i = √eikx

32

Будем условно называть частицы π−, античастицы π+.

Ïîëå

 

 

e−ikx

 

eikx

 

 

 

Φˆ (x) =

k

 

 

 

,

cˆk √2εk

 

+ cˆk+ √2εk

 

 

X

 

 

V

 

 

V

 

 

содержит слагаемые, соответствующие уничтожению нейтральной частицы с 4- импульсом k (оператор cˆk)

или рождению такой же нейтральной частицы с 4-импульсом k (оператор cˆ+k )

Будем кванты поля Φ (x) условно называть π0, причем массы m0 è m+ = m− могут быть произвольными.

Таким образом, ˆ(1) может описывать процессы

S

 

π± → π± + π0, π± + π0 → π±, π0 → π+ + π−, π+ + π− → π0 .

Пример 1.

 

Рассмотрим процесс распада π− → π− + π0

(ðèñ. 8), äëÿ

которого

 

|ii = aˆp+ |0i , |fi = aˆp+0cˆk+ |0i .

Рис. 8. Распад π− →

Матричный элемент S-матрицы равен

Z Z

(1) − 4 h | + ˆ + | i −

Sfi = ig d x 0 aˆp0cˆk ϕˆ (x) ϕˆ (x) Φ (x) aˆp 0 = ig

где функция F (x) соответствует плоской волне конечного π0:

F (x) = h0| cˆk Φˆ (x) |0i = h0| cˆk

k0

 

e−ik0x

+ cˆk+0

eik0x

 

cˆk0 √2εk0

 

√2εk0

 

|

 

{z

 

}

X

 

 

V

 

 

V

π− + π0

F (x) f (x) d4x,

2εkV .

Здесь мы учли, что

h0| cˆkcˆk0 |0i = 0, h0| cˆkcˆ+k0 |0i = δkk0

и отметили знаком . . . св¼ртку двух операторов.

|{z}

Аналогично, функция f (x) соответствует плоским волнам начального и конечного π− и содержит две св¼ртки:

 

f (x) =

0 aˆp0

ϕˆ+

(x) ϕˆ (x) aˆp+

 

0

 

=

eip0x

 

 

e−ipx

.

 

 

 

h |

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2εp0V p2εpV

 

После интегрирования по x

получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

{z

} |

 

{z

 

}

 

Mf(1)i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

Sfi

= i (2π) δ (p − p0 − k)

 

 

, Mfi

=

−g,

p

 

2εpV2εp0V2εkV

откуда видно, что данный процесс невозможен, т. к. p 6= p0 + k (в системе покоя начального π− его энергия εi = m− 6= εf = εp0 + εk > m−).

Пример 2.

33

Если рассмотреть процесс распада π0 → π+ +π− (ðèñ. 9), то получим как и раньше

Mf(1)i

= g ,

Рис. 9. Распад

π

0

→ π

+

+

π−

 

 

 

−

 

 

 

 

 

но в данном случае закон сохранения k = p+ + p− âû- полняется, если m0 > 2m−.

ˆˆ ˆ

12.2.Взаимодействие gΨΨΦ. Распад хиггсовского бозона

В Стандартной Модели спинорное поле Ψ (x) описывает лептон или кварк с массой m, действительное скалярное поле Φ(x) описывает хиггсовский бозон H с массой mH , à

константа

 

√

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g =

4πα

 

 

 

 

 

,

 

 

mW = 80, 4 ÃýÂ,

 

sin2 θW = 0, 23

 

 

 

 

2mW sin θW

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пропорциональна массе лептона или кварка m.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим процесс (рис. 10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e− → e− + H .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Повторяя выкладки для процесса π− → π− + π0, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sf(1)i

= −ig Z

F (x) f (x) d4x,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Переход

e− →

ãäå

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e− + H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eikx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F (x) = h0| cˆ

kΦ (x)

|0i =

 

√

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2εkV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

x

) = h0|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

+

|

0

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

a Ψ (x) Ψ (x) aˆ

pσ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ|p0

σ{z0

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и индексы σ (σ0) указывают спиновое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

состояние начального (конечного) электрона.

|

 

 

 

 

{z

 

 

}

 

 

{z }

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ó÷òÿ, ÷òî

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψˆ (x) =

aˆp00σ00up00σ00

 

 

e−ip00x

+ ˆbp+00σ00vp00σ00

 

 

eip00x

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2εp00

 

 

 

 

 

2εp00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p00σ00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

V

 

è ÷òî

h

0 aˆp00σ00aˆp+σ 0

i

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= δpp00δσσ00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и аналогичные соотношения для Ψ è aˆp0σ0, получим

 

|

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

p0σ0upσ

 

eip0x

 

 

e−ipx

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2εp0V 2εpV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

получим

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В итоге после интегрирования по x,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sf(1)i

= i (2π)4 δ (p − p0

− k)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mf(1)i

 

 

,

 

Mf(1)i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −gu

p0σ0upσ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2εpV2εp0V2εkV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда видно, что такой процесс

невозможен, т. к.

 

m < mH + m.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распад H → e+e−

34 Этот распад разреш¼н (рис. 11) и

 

Mf(1)i = −gu

p−σ−vp+σ+ .

 

 

 

 

 

 

Ðèñ. 11.

Распад H →

Найд¼м ширину распада

 

e− = Z

 

|Mfi|

 

32π2mH2 |p−| ,

e+e−

 

 

H→e

σ

2

 

 

 

 

+

 

X

dΩ−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|p−| =

21 mH ve, где скорость электрона

H

 

 

 

 

 

 

ε− = ε+ =

1

 

p− = −p+,

-бозона, при этом

2 mH

,

проводя вычисления в системе покоя

 

 

 

 

 

 

 

ve

= s

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

1 − mH2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4m2

 

 

 

 

Поучительно провести прямой расч¼т амплитуды рассеяния, выписав в явном виде биспиноры электрона и позитрона:

 

 

 

√

 

 

 

ϕ(σ−)

 

 

√

 

 

 

ϕ(σ−)

 

 

 

 

ε− + m

ε− + m

 

up−σ− = √

 

 

(σ n−) ϕ(σ−) = 2σ− √

 

, ϕ(σ−)

,

ε− − m

ε− − m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

ϕ(−σ+) .

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε+

− m

 

 

 

= Cu

 

 

=

 

i

 

 

p+σ+

 

 

 

p+σ+

 

−

 

2σ+ √

ε+ + m

ϕ(−σ+)

 

Ìû ó÷ëè, ÷òî C = −αy, ÷òî −σyϕ(+σ) = −2iσϕ(−σ), и что при выборе оси z вдоль n− = −n+ мы получим

(σ n−) ϕ(σ−) = 2σ−ϕ(σ−), (σ n+) ϕ(−σ+) = 2σ+ϕ(−σ+) .

В итоге получаем:

q

Mf(1)i = −ig ε2− − m2 (1 − 4σ−σ+) ϕ(σ−) ϕ(−σ+) = −igmH veδσ−,−σ+ .

Таким образом, проекции спинов электрона и позитрона на выделенную ось z (вдоль

направления движения электрона) оказались противоположны, иными словами, спиральности образованных лептонов одинаковы. Это прямое следствие закона сохранения

проекции полного момента импульса на ось z. Теперь легко найти сумму

σ±

Mf(1)i

2

= 2g2mH2 ve2 .

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Менее громоздкий расч¼т этой величины удобно провести, используя правила суммирования по спиновым переменным

σ±

Mf(1)i

2

= g2

Sp

 

(p−µ γµ + m)(p+ν γν − m)

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и правила вычисления следов от матриц Дирака:

Sp (γµγν) = 4gµν ,

35

что приводит к результату

σ±

Mf(1)i

2

= 4g2

p+p− − m2

,

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

совпадающему с предыдущим.

Ширина обсуждаемого распада пропорциональна квадрату массы электрона, g2 m2e, и оказывается очень малой:

H→e+e− =

8 sin2

θW

mW

2

mH ve3 .

 

α

 

 

me

 

 

Åñëè mH

115ГэВ, то возможны лептонные распады H

→

e+e−, èëè H

→

µ+µ−, èëè

 

≈, причем ширина последнего распада будет

 

 

 

 

 

H → τ+τ−

 

 

 

 

наибольшей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среди кварковых мод распада H →

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qq наибольшую ширину будет иметь bb ìîäà:

 

H→bb = NC 8 sin2 θW

mW

2

 

≈ 5 ÌýÂ

 

 

 

 

 

mH vb3

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

mb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

äëÿ NC = 3 è mb = 5 ГэВ (для сравнения φ(1020) = 4, 5 ÌýÂ).

При больших значениях mH будут доминировать распады H → W +W − è H → ZZ. Интересен распад H → γγ

(рис. 12), идущий через виртуальную петлю заряженных частиц, прич¼м неисчезающий петлевой вклад может про-

исходить и от ещ¼ неизвестных тяж¼лых частиц X.

Образование H â e+e− è µ+µ− соударениях Рис. 12. Распад H → γγ

Процесс образования хиггсовского бозона на встречных e+e− èëè µ+µ− пучках (рис. 13 14) подобен образованию резонансов типа ρ, Φ, ω â e+e− соударениях.

Рис. 13. Процесс e+e− → H

Рис. 14. Процесс µ+µ− → H

Вероятности переходов µ+µ− → H è e+e− → H пропорциональны ширинам соответствующих распадов, отношение этих вероятностей

W (µ+µ−

H)

 

H

 

µ+µ−

 

mµ

2

 

→

≈

≈ 40 000 ,

W (e+e−

→

 

=

 

 

 

 

H)

 

 

H→e+e−

me

 

→

 

 

 

 

 

 

 

 

поэтому на встречных µ+µ− пучках вероятность образования H будет примерно в 40 000 раз больше, чем на встречных e+e− пучках той же энергии. Идея встречных µ+µ− пучков была выдвинута в работах Будкера (1969) и Скринского и Пархомчука (1981).

36

ˆˆ ˆµ

12.3.КЭД, взаимодействие eΨγµΨA

В первом порядке теории возмущений мыслимы процессы испускания фотона e± →

e± + γ, поглощения фотона e± + γ → e±,

образование e+e− пары фотоном γ → e+e−

и аннигиляция пары e+e− → γ. Âñå ýòè

процессы запрещены законами сохранения

энергии-импульса. Тем не менее полезно для дальнейшего, вычислить амплитуду Mfi этих процессов. Отличие от процессов, рассмотренных в предыäущем разделе для взаимодействия gΨΨΦ, заключается в векторном характере тока ΨγµΨ и переходе от действительного скалярного поля Φ к векторному полю Aµ.

При квантовании электромагнитного поля 4-потенциал становился оператором

ˆµ

 

 

cˆkλ

e−ikx √

 

µ

+

eikx √

 

µ

.

 

 

 

 

A

(x) =

kλ

√

 

 

 

4πekλ

+ cˆkλ

√

 

 

 

4πekλ

2ωk

V

2ωk

V

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому процессу e− → e− + γ

соответствует амплитуда рассеяния

 

 

p0σ0γµupσ√

 

 

 

 

 

Mf(1)i = −eu

 

 

 

 

 

4πekµλ.

 

Отметим, что градиентное преобразование 4-потенциала

 

 

Aµ (x) → Aµ (x) − ∂µf (x)

 

соответствует замене

 

 

 

ekµλ → ekµλ + kµf (k) ,

 

 

 

 

 

 

не изменяющей амплитуду рассеяния, т. к.

e

 

 

kµ

 

0γµu =

 

pµ − pµ0

 

 

0γµu = 0

(12.1)

 

u

 

u

в силу уравнения Дирака pµγµu = mu

è pµ0

 

0γµ = mu

0 (само равенство (1) является

u

Процессу γ → e+ + e−

∂µ

 

(x) γ

µ

Ψ (x) = 0).

 

Ψ

 

следствием сохранения тока

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соответствует амплитуда рассеяния

√

Mf(1)i = −eup−σ−γµvp+σ+ 4πeµkλ.

На этих примерах видны правила Фейнмана для КЭД:

 

Начальное состояние

Конечное состояние

электрон

 

upσ

 

u¯pσ

позитрон

 

 

v¯pσ

 

vpσ

фотон

√

 

 

√

 

 

4πeµ

4πe µ

 

 

 

kλ

 

 

kλ

37

Вершине

соответствует фактор −ieγµ.

В амплитуде рассеяния (iMfi) биспиноры выписываются, следуя от конца электрон-

ной линии к началу.

Ещ¼ одно замечание касается случая, когда сплошная линия, соответствующая электрону и идущая от начального состояния до конечного, заменяется позитронной линией. Сравним два процесса. Процессу с электронной линией

соответствует

 

 

 

 

 

h

 

 

|

 

 

 

ˆ

 

 

ˆ

 

 

+

 

|

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e−i(p−p0)x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fµ =

 

0 aˆp0σ0Ψ (x) γµ Ψ (x) aˆpσ

 

0

 

= up0σ0γµupσ

p2εpV2εp0V

,

 

позитронной

 

линией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а процессу с

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

{z }

|

 

 

{z

 

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соответствует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

h

 

 

|

ˆ

 

ˆ

 

 

ˆ

 

ˆ+

|

 

 

i

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

e−i(p−p0)x

 

 

 

 

fµ =

0

bp0σ0Ψ (x) γµΨ (x) bpσ

0

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

= v¯pσγµvp0σ0

2εpV2εp0 V

с дополнительным множителем (

−1

) èç-çà

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

антикоммутативности фермионных опера-

торов и другого набора св¼рток:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h |

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

pσ | i

 

 

 

 

 

 

h |

 

 

0 0

z

 

 

 

}|

 

 

{

| i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

ˆ

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

ˆ

ˆ+

0 è

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

ˆ

 

 

ˆ

ˆ+

 

0 .

 

0 bp σ

 

Ψ (x) γµΨ (x) b

 

 

 

 

0 bp σ

Ψ (x) γµΨ (x) b

σ

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

{z

 

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Второй порядок теории возмущений для взаимо-

+ ˆ

действия gϕˆ ϕˆΦ. Пропагатор скалярной частицы

В операторе

 

 

ig

2

Z

Sˆ(2)

=

(− )

 

2!

 

h i

4 4 0 ˆ + ˆ + 0 0 ˆ 0

d xd x T ϕˆ (x) ϕˆ (x) Φ (x) ϕˆ (x ) ϕˆ (x ) Φ (x )

присутствуют две элементарные вершины:

Процессы с 6 внешними концами соответствуют (после интегрирования по x è x0) двум несвязанным процессам типа π0 → π+ + π−. Процессы с 5 внешними вершинами äàþò Sf(2)i = 0.

38

Поэтому во 2 порядке интересно рассмотреть процессы рассеяния частиц

π−π± → π−π± , π0π± → π0π± , π+π+ → π+π+ ,

аннигиляцию заряженных частиц

π+π− → π0π0

èих образование в соударениях нейтральных частиц

π0π0 → π+π− .

Для описания таких процессов удобны специальные инварианты переменные Мандельстама.

13.1. Переменные Мандельстама

s-канал. Для описания процесса 1 + 2 → 3 + 4

введ¼м инварианты, составленные из 4-импульсов частиц ( переменные Мандельстама),

s = (p1 + p2)2 = (p3 + p4)2 ,

t

=

(p1 − p3)2 = (p2 − p4)2 ,

u

=

(p1 − p4)2 = (p2 − p3)2 .

Эти переменные не являются независимыми, т. к.

s + t + u = m21 + m22 + m23 + m24 .

В с.ц.и. этого процесса

p1 = −p2 , p3 = −p4

инвариант

s = (ε1 + ε2)2 = (ε3 + ε4)2

совпадает с квадратом полной энергии, а переменные

t = −2ε1ε3 + 2p1p3 + m21 + m23

è

u = −2ε1ε4 + 2p1p4 + m21 + m24 = −2ε1ε4 − 2p1p3 + m21 + m24

зависят от угла рассеяния θ:

p1p3 = |p1| |p3| cos θ .

39

Сечение рассеяния

 

 

Mfi

 

2

p3

 

 

Mfi 2

dϕ

 

dσ =

 

 

|

|

dΩ3 =

| |

dt

 

,

8π (ε1 + ε2)

 

p1

|

64πI2

2π

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ò. ê.

dΩ

 

= sin θdθdϕ = d (

−

cos θ) dϕ =

d(−t)dϕ

 

,

|

p

 

|

(ε

 

+ ε

) =

q

(p

p

)2

−

m2m2

= I .

 

2 |p1| |p3|

 

 

 

3

 

 

 

 

1

 

1

2

 

1

2

 

1 2

 

Перекрестный -канал (кросс-канал):

¯

¯

+ 4

t

1 + 3

→ 2

В этом канале переменные Мандельстама имеют вид

t = (p1 + p¯)2 , s = (p1 − p¯)2 , u = (p1 − p4)2 ,

3 2

инвариант

t = (ε1 + ε¯)2

3

совпадает с квадратом полной энергии, а переменные s è u зависят от угла рассеяния

в этом канале.

 

-канал (кросс-канал):

¯

¯,

Перекрестный

u

 

 

1 + 4

→ 3 + 2

В этом канале переменные Мандельстама имеют вид

u = (p1 + p¯)2 , s = (p1 − p¯)2 , t = (p1 − p3)2 ,

4 2

инвариант

u = (ε1 + ε¯)2

4

совпадает с квадратом полной энергии, а переменные s è t зависят от угла рассеяния в этом канале.

Пример: эффект Комптона

s-канал: γe− → γe−

p1,2,3,4
ðàç-

40

t-канал: γγ → e+e−

u-канал: γe+ → γe+

13.2. Рассеяние заряженных частиц

Рассмотрим процесс

π−π− → π−π− ,

для которого начальное и конечное состояние таковы:

 

+ +

 

 

 

+ +

 

+

 

+

 

 

 

|ii = aˆ2 aˆ1

|0i , |fi = aˆ4 aˆ3

|0i , aˆi

≡ aˆpi .

 

 

Так как оператор поля нейтральных частиц

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Φ коммутируют с операторами полей за-

 

+, то операция упорядочивания по времени

 

ˆ

ряженных частиц ϕˆ è ϕˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T может быть про-

изведена отдельно над Φˆ (x) Φˆ (x0) и остальными операторами:

 

 

где функция

Sf2i = (−ig)2 Z d4xd4x0iD (x − x0) f (x, x0) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

 

ˆ

 

+

 

+ 0

 

0

+ +

 

f (x, x

) =

2!

h0| aˆ3aˆ4T ϕˆ (x) ϕˆ (x) ϕˆ (x

) ϕˆ (x

) aˆ2 aˆ1

 

|0i

соответствует плоским волнам

начальных и конечных заряженных частиц, а пропага-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

òîð

 

 

 

 

 

до точки x.

соответствует распространению нейтральнойhчастицы отiточки x0

0

ˆ ˆ

ˆ

0

)

|0i

 

iD (x − x

) = h0| T Φ (x) Φ (x

 

Рассмотрим сначала функцию f(x, x0). Будем считать все 4-импульсы

личными, тогда операторы aˆ3,4 коммутируют с aˆ+1,2. Поэтому операторы aˆ+1,2 могут об- разовать свертку (и дать ненулевой вклад) лишь с ϕˆ (x) è ϕˆ (x0). Аналонично, aˆ3,4

могут образовать свертку (и дать ненулевой вклад) лишь с ϕˆ+ (x) è ϕˆ+ (x0). В итоге,

оператор ˆ

T не работает, и его можно опустить.

Начн¼м перемещать aˆ+2 налево, он даст ненулевой вклад в результате св¼ртки с ϕˆ (x0) èëè ñ ϕˆ (x). Учтем первую возможность. После этого aˆ+1 может дать ненулевую свертку

лишь с ϕˆ (x). В свою очередь aˆ3 "сворачивается"с ϕˆ+ (x) (ïðè ýòîì aˆ4 да¼т свертку с ϕˆ+ (x0)) èëè ñ ϕˆ+ (x0) (ïðè ýòîì aˆ4 да¼т свертку с ϕˆ+ (x)):

=

√2εn

 

! e−i(p1−p3)xe−i(p2−p4)x0 + e−i(p1−p4)xe−i(p2−p3)x0 .

4

1

 

n

o

n=1

 

 

V

Y