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Sandbox Physics
散射振幅

L3 · 第 5 章

一颗很软的胶子为何记不住整个碰撞

胶子能量足够小时,它的辐射振幅主要由两条相邻硬腿决定;两条末态接近平行时,振幅又拆成一次分裂和一个较低点振幅。这些极限让我们用小块答案预测复杂过程,但比较时必须把动量守恒一起带过去。

从相邻分母里认出软辐射

取五胶子顺序 (1,2,3,5,4)(1,2,3,5,4),负螺旋度仍在前两条腿,额外的正螺旋度胶子编号为 55。把四点和五点 Parke–Taylor 分母并排,只有连接 33 与 44 的那一段被新腿拆开。于是自然出现下面的比值。

让软动量 k5=λkˉ5k_5=\lambda\bar k_5 以固定方向趋零,两种旋量都按 λ\sqrt\lambda 缩放。两个含软腿的角括号各带一个平方根,软因子便按软能量的倒数增长。长波长辐射在这个主导阶只辨认相邻硬腿的运动方向。

A5(1−,2−,3+,5+,4+)=i⟨12⟩4⟨12⟩⟨23⟩⟨35⟩⟨54⟩⟨41⟩A_5(1^-,2^-,3^+,5^+,4^+)=i\frac{\langle12\rangle^4}{\langle12\rangle\langle23\rangle\langle35\rangle\langle54\rangle\langle41\rangle}
与四点式并排:原来的相邻角括号由含新腿的两个角括号替代,分子不变。
S(3,5+,4)=⟨34⟩⟨35⟩⟨54⟩,A5⟶S(3,5+,4)A4\mathcal S(3,5^+,4)=\frac{\langle34\rangle}{\langle35\rangle\langle54\rangle},\qquad A_5\longrightarrow\mathcal S(3,5^+,4)A_4
软因子量纲为能量倒数,正好补上四点与五点树振幅的量纲差。
λ5,λ~5∝λ⟹S∝λ−1\lambda_5,\widetilde\lambda_5\propto\sqrt\lambda\quad\Longrightarrow\quad\mathcal S\propto\lambda^{-1}
这是均匀软极限;只缩放一类旋量的复解析软极限有不同的计数方式。

来源:Lance J. Dixon · R. Britto

不能只把一条动量缩短

把一条腿能量改小而其余动量全固定,会破坏总动量守恒。这样得到的“误差”混进了一个不成立的散射构型。我们改用一条明确的、每一步都守恒的三体末态路径。

总质心能量为二。硬腿 33 指向单位矢量 n3\mathbf n_3,新胶子 55 与它夹角为 α\alpha,能量为 λ\lambda。先用能量守恒写出反冲腿的能量,再要求反冲腿无质量,就能解出硬腿能量。

完整例题:取 λ=0.2\lambda=0.2、α=π/2\alpha=\pi/2。解得 E3=8/9E_3=8/9、E4=41/45E_4=41/45。两条选定末态正交,因此反冲三动量长度为 (8/9)2+(1/5)2=41/45\sqrt{(8/9)^2+(1/5)^2}=41/45,与它的能量一致。总能量相加为二,三动量按构造相消。

E3=2(1−λ)2−λ(1−cos⁡α),k5=(λ,λn5),k4=(2−E3−λ,−E3n3−λn5)E_3=\frac{2(1-\lambda)}{2-\lambda(1-\cos\alpha)},\quad k_5=(\lambda,\lambda\mathbf n_5),\quad k_4=(2-E_3-\lambda,-E_3\mathbf n_3-\lambda\mathbf n_5)
软扫描取能量参数趋零而夹角固定;共线扫描取夹角趋零而能量参数保持有限。
(2−E3−λ)2=E32+λ2+2E3λcos⁡α(2-E_3-\lambda)^2=E_3^2+\lambda^2+2E_3\lambda\cos\alpha
这条无质量方程给出上式的硬腿能量,保证反冲腿也满足能量等于三动量长度。

一条腿分成两条近乎平行的腿

共线极限取 k3≃zPk_3\simeq zP、k5≃(1−z)Pk_5\simeq(1-z)P。两条正螺旋度腿的角括号趋零,振幅中出现普适的分裂因子。把 λ3≃zλP\lambda_3\simeq\sqrt z\lambda_P 和 λ5≃1−zλP\lambda_5\simeq\sqrt{1-z}\lambda_P 代入循环分母,即可读出平方根因子。

在上述实动量路径上取 z=E3/(E3+λ)z=E_3/(E_3+\lambda)。比较用的四点硬过程把合腿方向选成 k3+k5\mathbf k_3+\mathbf k_5 的方向,再配一条相反的单位能量反冲腿。这是明确的守恒映射;有限夹角时映射有次主导差别,夹角趋零时差别消失。

A5⟶Split⁡−(3+,5+)A4(…,P+,4),Split⁡−(3+,5+)=1z(1−z)⟨35⟩A_5\longrightarrow\operatorname{Split}_{-}(3^+,5^+)A_4(\ldots,P^+,4),\qquad\operatorname{Split}_{-}(3^+,5^+)=\frac{1}{\sqrt{z(1-z)}\langle35\rangle}
分裂函数的下标采用与合腿螺旋度相反的标准标记;这里合腿为正螺旋度。
s35=2E3λ(1−cos⁡α)≃E3λα2s_{35}=2E_3\lambda(1-\cos\alpha)\simeq E_3\lambda\alpha^2
实共线极限的振幅奇性表现为不变量平方根的倒数;这个实路径上的平方根奇性与复解析通道里的简单极点要分别处理。

来源:Lance J. Dixon

残数说的是传播中的真实中间态

一般树振幅在中间动量 P2P^2 接近零时,极点的系数由左右两个在壳子振幅相乘、再对中间螺旋度求和得到。乘以 P2P^2 再取极限,便抽出残数。下一章把这个局部信息沿复动量延拓,拼回整个振幅。

对实三点无质量运动学,所有动量平行。要直接用精确三点振幅计算一般因子化残数,需要复动量;实共线分裂是它在近似运动学中的表现。两者紧密相连,使用时仍需说清楚取的是哪条路径。

lim⁡P2→0P2An=∑hAL(…,Ph) i AR((−P)−h,…)\lim_{P^2\to0}P^2 A_n=\sum_h A_L(\ldots,P^h)\,i\,A_R((-P)^{-h},\ldots)
此处的传播子整体相位与前面的树振幅约定配套。颜色排序只允许相邻腿组成该通道。

来源:Lance J. Dixon

画出趋近,而不是只取一个很小的数

软扫描比较 A5/(SA4mapped)A_5/(\mathcal S A_4^{\rm mapped}),共线扫描比较 A5/(Split⁡A4mapped)A_5/(\operatorname{Split} A_4^{\rm mapped})。四点振幅必须在上面定义的守恒硬构型计算,旋量相位也要沿路径连续。比值趋近一,比某个孤立点“很接近”更有说服力。

同时记录外腿无质量残差、四动量守恒残差、绝对与相对误差,并逐步缩小扫描参数。当理论次主导项继续下降而浮点误差开始抬头,误差曲线可能拐弯。把两类误差分开,才能判断是否已进入适当的渐近区间。

把推理带进实验

分别走向低能和小夹角

  1. 固定新胶子的方向,把软能量降低一个数量级。先预测振幅、软因子和归一化比值怎样变。
  2. 保持能量有限,连续缩小分裂夹角,比较共线近似。检查每个构型的守恒与质量残差。
  3. 把两条误差曲线画在对数坐标上。指出渐近近似改善的区段。当前扫描是否已出现精度限制?若尚未出现,说明继续缩小参数的离线检查应记录什么。

练习与解释性答案

  1. 软能量降为十分之一、方向不变,主导软振幅和平方模分别怎样变?这是否直接给出十倍或百倍的事件数?

    展开解释

    振幅主导项增大十倍,平方模增大百倍。事件数还需要软粒子的相空间、虚修正及红外安全的观测定义;单个发射振幅的奇性不能直接当作可测总事件率。

  2. 把五点循环分母中的新腿删除,得到一个四点代数式。为什么有限软能量时它不一定是合法四点散射振幅?

    展开解释

    剩下四条原动量通常不再守恒。代数上的约分可精确成立,但要把约分后的式子解释成物理四点振幅,必须给出守恒映射并取相应极限。

来源与复算范围

例题与示意图由课程编写,数值来自已定义模型。已发表参考复算的是指定参数的解析 CDD 曲线,没有复制实验数据、原文图或论文优化所得的数值点。下面列出实际核读位置与复算范围。

  1. Lance J. Dixon, A brief introduction to modern amplitude methods, arXiv:1310.5353v1 (2013)

    第 2 节式 (5) 为颜色分解;3.1 节式 (14)、(19)、(21)—(27) 为旋量和全出射约定;3.3 节式 (41)—(46) 为极化;4.1 节式 (55)—(57) 为软因子;4.3 节式 (68)—(70) 为 MHV 与共线因子;4.5、5.1 节式 (74)—(84) 为复三点起点与递推。守恒扫描路径和四点留数例题是课程推导的扩展。

  2. R. Britto, F. Cachazo, B. Feng and E. Witten, Direct Proof Of Tree-Level Recursion Relation In Yang-Mills Theory, hep-th/0501052v2; Physical Review Letters 94, 181602 (2005)

    第 2 节介绍无质量动量旋量,以式 (2.1) 构造双腿复位移,并在式 (2.7) 推导递推;第 3 节控制大参数行为;第 4 节证明 MHV 构造。课程保留 Dixon 的振幅整体相位,把位移用于第一、第四条腿。软扫描以 MHV 函数为输入,另行推导守恒的实动量路径。

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