跳到主要内容
Sandbox Physics
规范理论与 EFT

L3 · 第 5 章

换一套算符,约束为什么看起来更紧了?

同一个预测可以用不同算符组合来写。换基底会改变系数的数值和误差椭圆,却不应改变同一观测的不确定度。若约束突然收紧,先检查系数、协方差和先验有没有一起变换。

改变坐标,不改变预测

先把归一化的低能振幅写成 y(x)=c0+c1xy(x)=c_0+c_1x。这里 xx 是无量纲能量变量;两个系数也无量纲。用行向量 r=(1,x)r=(1,x) 与列向量 c=(c0,c1)Tc=(c_0,c_1)^T,预测就是 y=rcy=rc。

现在选可逆矩阵 TT,定义新系数 c′=Tcc^\prime=Tc。原系数等于 T−1c′T^{-1}c^\prime,代回预测,便确定新预测行向量 r′=rT−1r^\prime=rT^{-1}。这是普通坐标变换,实验本身没改。

c′=Tc,r′=rT−1,y=r′c′=rcc^\prime=Tc,\qquad r^\prime=rT^{-1},\qquad y=r^\prime c^\prime=rc
若作用量写成系数与算符向量的内积,新算符向量应按逆转置变换。不能只改一个系数的名称。

误差椭圆也要跟着变

记系数均值为 cˉ\bar c,协方差为 Σ=⟨(c−cˉ)(c−cˉ)T⟩\Sigma=\langle(c-\bar c)(c-\bar c)^T\rangle。把每个误差向量乘以 TT,其外积左右各多一个矩阵,协方差便作合同变换。

现在计算同一观测的方差。新预测行向量带一个逆矩阵,新协方差带一个正矩阵,相乘时它们抵消。图上椭圆变长、变斜,物理预测的误差却不动。判断实验多知道了多少,要比较同一个物理预测。

cˉ′=Tcˉ,Σ′=TΣTT\bar c^\prime=T\bar c,\qquad \Sigma^\prime=T\Sigma T^T
均值和协方差必须使用同一次坐标变换;相关项也必须保留。
Var⁡(y)=rΣrT=r′Σ′r′T\operatorname{Var}(y)=r\Sigma r^T=r^\prime\Sigma^\prime r^{\prime T}
这是比较两套基底时应检验的量。行列式和椭圆面积会随坐标单位改变。

一个有数字的剪切变换

设原均值为 (1,2)T(1,2)^T,两个误差独立,标准差分别为 0.20.2 与 0.30.3。取剪切变换 c0′=c0+c1c_0^\prime=c_0+c_1、c1′=c1c_1^\prime=c_1。新均值是 (3,2)T(3,2)^T,协方差的两个对角元为 0.13,0.090.13,0.09,非对角元为 0.090.09。

在 x=0.2x=0.2 比较同一个观测。原写法 c0+0.2c1c_0+0.2c_1 给出 1.41.4,新写法 c0′−0.8c1′c_0^\prime-0.8c_1^\prime 也给出 1.41.4。新协方差中的相关项恰好抵消了一部分对角贡献,方差都等于 0.04360.0436。

解析参考。最后一行故意漏做协方差变换,用来诊断伪变化。
计算均值方差标准差
原基底1.41.40.04360.04360.2088060.208806
完整变换1.41.40.04360.04360.2088060.208806
改预测向量、沿用旧协方差1.41.40.09760.09760.3124100.312410

把先验重置,就换了问题

假设原来给每个系数独立、同宽的高斯先验。换基底后把先验重新设为同样的独立高斯,看起来很自然,实际上挑选了另一组物理函数。原先的圆经过剪切会变成椭圆;再画一个圆就没有沿用原假设。

若数据为 d=Xc+ϵd=Xc+\epsilon,设计矩阵必须变成 X′=XT−1X^\prime=XT^{-1}。高斯似然的二次型随后不变。若还要比较完整概率密度,变量替换的 Jacobian 也要保留;归一化密度随坐标体积变换,概率本身保持不变。

一般有效场论还会使用场重定义与运动方程,删除对所研究散射不独立的算符。这比有限维可逆换坐标更进一步,需要保持相同截断阶次,并一起变换全部相关项。一般冗余算符的删除,需要在同一阶完成相应的场论推导。

来源:Aneesh V. Manohar

把这个检查用在一次拟合上

先选择实际要比较的散射能量,再比较该能量处的预测带。接着改变基底,检查中心和宽度。最后故意漏掉协方差变换,看看哪里出了变化。这比比较两个系数的独立误差条更容易指出错误。

换基底也不能补救模型遗漏。若高能端已经超出低能展开范围,即使所有矩阵都变换正确,同一个偏置预测仍会在两套基底中保持一致。下一章分别处理这个偏置和对未知高能理论的正性要求。

把推理带进实验

追踪同一个预测

  1. 先预测:剪切误差椭圆后,固定能量处的预测带该不该改变?
  2. 拖动基底参数,记录物理预测及其标准差。选择两个明显不同的基底,保存结果。
  3. 打开故意遗漏协方差变换的比较,再判断差异来自坐标选择还是来自改变了统计假设。把结论写成可供别人检查的一条等式。

练习与解释性答案

  1. 在原例中改取 x=0x=0,同一观测的新表达是什么?

    展开解释

    原观测是 c0c_0,新表达为 c0′−c1′c_0^\prime-c_1^\prime。方差是 0.13+0.09−2(0.09)=0.040.13+0.09-2(0.09)=0.04,与原基底相同。

  2. 把一个系数的单位缩小一百倍,误差数字也缩小一百倍,这算约束变强吗?

    展开解释

    不算。预测向量中的相应分量会增大一百倍,物理预测和它的误差不变。约束强弱需要比较同一个物理量。

  3. 你收到两套基底的拟合结果,中心预测一致、预测带却不同。最先索取什么?

    展开解释

    索取完整协方差矩阵、基底变换、设计矩阵和先验定义。只给边缘误差无法重建相关项,通常不足以检查预测带。

来源与复算范围

推导、表格和图由本课程编写。下面列出实际核读的位置,并区分原文结果与教学扩展。数值示例属于模型参考或明确标出的合成观测,没有复制实验数据集或原文图。

  1. David Tong, Gauge Theory (2018 lecture notes)

    第 2.1—2.1.3 节(联络与 Wilson 环)、2.7.3 节(Higgs 相)、3.1.1—3.2.2 节(二维异常与 Ward 恒等式)、4.2.1 节(链端点)及 4.3.1—4.3.3 节(格点费米子);印刷页码 26—37、105—108、122—139、207—210、220—228。

  2. Aneesh V. Manohar, Introduction to Effective Field Theories, arXiv:1804.05863v1 (2018)

    第 3.5 与第 4 节(积分掉自由度与幂次计数)、5.5—5.7 节(匹配)、5.10.1 节 PDF 式 (5.51)—(5.60)(QCD 运行与算符混合)、6.2—6.3 节(场重定义)。标量散射算例由本课程推导。已知对数的边界展开用于检查原文运行因子的截断,不计算有限硬匹配。

反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策