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Sandbox Physics
共形 bootstrap

L2 · 第 4 章

自由场精确满足交叉方程

在问哪些谱被排除之前,最好先手里有几份一定成立的谱。广义自由场是最简单的一类:四点函数只由两点函数拼成,交叉方程自动成立,交换算符的清单可以一行行读出来。下一章它会再次出现,恰好落在一维上限上。

由两两配对拼成的关联函数

广义自由场的四点函数,是把四个点两两配对的三种方式加起来,每一对贡献一个两点函数。费米子有一种配对带负号。在直线上就得到下面的解析式。

交换 zz 和 1−z1-z 只是把三种配对重新排列,所以交叉方程精确成立。交换算符没有一个是人为放进去的,它们都来自展开这个解析式。

Aψ(z)=1+(z1−z)2Δψ−z2Δψ,Aϕ(z)=1+(z1−z)2Δϕ+z2ΔϕA_\psi(z)=1+\Bigl(\frac{z}{1-z}\Bigr)^{2\Delta_\psi}-z^{2\Delta_\psi},\qquad A_\phi(z)=1+\Bigl(\frac{z}{1-z}\Bigr)^{2\Delta_\phi}+z^{2\Delta_\phi}
对任意外算符量纲都成立。例题取 Δ=1/2\Delta=1/2。

来源:D. Gaiotto · D. Mazáč

交换的算符

把解析式按共形块展开,得到一串双粒子算符。费米子交换的量纲是 2Δψ+12\Delta_\psi+1、2Δψ+32\Delta_\psi+3 等;玻色子低一级,从 2Δϕ2\Delta_\phi 开始。

每个系数 cn2c_n^2 都为正,并随 nn 迅速减小。取 Δ=1/2\Delta=1/2,费米子的值是 11、1/101/10、1/1261/126、1/17161/1716,玻色子的值是 22、1/31/3、1/351/35、1/4621/462。

Δnψ=2Δψ+2n+1,Δnϕ=2Δϕ+2n,n=0,1,2,…\Delta_n^{\psi}=2\Delta_\psi+2n+1,\qquad \Delta_n^{\phi}=2\Delta_\phi+2n,\qquad n=0,1,2,\dots
费米子在第一级之下没有任何算符。下一章的上限讲的正是这段空白。

来源:D. Gaiotto

完整例题:从泰勒级数读出系数

取 Δϕ=1/2\Delta_\phi=1/2 的玻色子。解析式减去单位算符是 2z+z2+z3+…2z+z^2+z^3+\dots。最轻的共形块是 k1=−log⁡(1−z)k_1=-\log(1-z),比较 zz 项得 c12=2c_1^2=2。

于是 2k12k_1 给出系数为 11 的 z2z^2 项,已经吻合,不需要量纲 22 的算符。到 z3z^3,它只给出 2/32/3,而需要的是 11。差额由块 k3=z3+…k_3=z^3+\dots 补上,c32=1/3c_3^2=1/3。

对费米子同样逐项比较:z2z^2 项给出 c22=1c_2^2=1,z4z^4 项给出 c42=1−9/10=1/10c_4^2=1-9/10=1/10。这些数和通式印出的每一位都相同,而两边是各自独立算出来的。

用这些系数,两个玻色子算符就给出 A(0.3)=1.728406A(0.3)=1.728406,精确值是 1.7285711.728571;完整求和吻合到六位。

Aϕ(z)−1=2z+z2+z3+…,k1(z)=−log⁡(1−z)=z+12z2+13z3+…A_\phi(z)-1=2z+z^2+z^3+\dots,\qquad k_1(z)=-\log(1-z)=z+\tfrac12z^2+\tfrac13z^3+\dots
逐次比较 zz 的各次幂,每次确定一个系数,同时看出哪些量纲不出现。

来源:D. Gaiotto · D. Mazáč

截断带来什么

只保留费米子的前三个算符。在 z=1/2z=1/2 处交叉残差严格为零,因为两边在同一点取值。在 z=0.8z=0.8 处是 −4.46×10−3-4.46\times10^{-3},到 z=0.9z=0.9 处达到 −3.36×10−2-3.36\times10^{-2}。保留十个算符,z=0.9z=0.9 处的残差降到 −5.87×10−6-5.87\times10^{-6}。

这才是数值结论的诚实说法:有限的谱只能近似满足交叉方程,误差大小取决于看哪里。在 z=1/2z=1/2 处两个通道收敛得一样快,所以数值研究在那里对交叉方程求导。

来源:D. Mazáč · D. Simmons-Duffin

到实验里试一试

比较费米子和玻色子

  1. 打开自由玻色子预设,记下第一个交换算符,再与自由费米子预设比较。
  2. 先预测第一个系数错了时残差曲线的样子,再选那个预设。
  3. 用“算符太少”预设,把点拖向右端,看残差怎样增大。

练习与解答

  1. 外算符量纲 Δψ=0.8\Delta_\psi=0.8 的费米子,第一个交换算符的量纲是多少?

    展开解答

    2Δψ+1=2.62\Delta_\psi+1=2.6。单位算符和这个值之间没有任何算符。

  2. 利用 Δψ=1/2\Delta_\psi=1/2 时的 Aψ−1=z2+z3+z4+…A_\psi-1=z^2+z^3+z^4+\dots 和 k2=z2(1+z+910z2+… )k_2=z^2(1+z+\tfrac{9}{10}z^2+\dots),说明不会出现量纲为 33 的算符。

    展开解答

    取 c22=1c_2^2=1,块 k2k_2 已经给出系数为 11 的 z3z^3 项,正好是 AψA_\psi 所需要的。量纲 3 的算符会多出一个 z3z^3 项,所以它的系数必须为零。

  3. 把费米子系数 c42c_4^2 改成负号,其余不变。交叉方程还成立吗?

    展开解答

    不成立。z=0.3z=0.3 处的交叉残差变成 0.1140.114。何况负的 c2c^2 在幺正理论里本来就不允许。

来源与复算范围

  1. D. Simmons-Duffin, TASI Lectures on the Conformal Bootstrap, arXiv:1602.07982v1 (2016)

    第 1 版。式 (157)—(158):四点函数写成对各共形多重态的求和,每个多重态贡献一个共形块。式 (164)—(168):共形块满足的 Casimir 方程,以及二维中由单变量函数 k 构成的闭合形式。式 (194)—(199) 及第 10.5—10.7 节:全同标量的交叉方程写成向量之和、导数泛函,以及标量间隙上限所用的假设。图 26:二维交叉向量。图 27 与表 1:导数截断 6 到 28 的二维上限,以及 Ising 点的拐点。图 28:带拐点的三维上限。

  2. D. Mazáč, Analytic bounds and emergence of AdS2 physics from the conformal bootstrap, arXiv:1611.10060v1; JHEP 04 (2017) 146

    第 1 版。式 (2.12)—(2.17):直线上全同算符的四点函数、交比、单变量共形块与交叉方程。式 (2.18) 与图 2:数值间隙上限;正文说导数越多,它越收敛到外算符量纲的两倍加一。式 (2.19)—(2.23):取到这个上限的广义自由费米子,以及极值泛函的零点。图 1:典型极值泛函的作用。

  3. D. Gaiotto, D. Mazáč and M. F. Paulos, Bootstrapping the 3d Ising twist defect, arXiv:1310.5078v2; JHEP 03 (2014) 100

    第 2 版。第 4.1 节:一维广义自由场。式 (4.17) 与 (4.20) 给出费米子解和玻色子解的交换量纲与 OPE 系数;课程把它们重新求和,与解析的关联函数比较。

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