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散射与衰变

本文可以视为LSZ约化公式的应用。

回顾LSZ公式

入态由$f_1(\mathbf p),\cdots f_n(\mathbf p)$描述,它们为中心在$\mathbf k_1,\cdots \mathbf k_n$的窄峰;出态由$f_1’(\mathbf p),\cdots f’_{n’}(\mathbf p)$描述,它们为中心在$\mathbf k’_1,\cdots\mathbf k’_{n’}$的窄峰。On-shell方案下

根据平移不变性,$k_1+\cdots+k_n=k_1’+\cdots+k_{n’}’$,所以可以写成$\delta$函数的形式

此外出入态自身内积为

波函数和散射概率

标准(反)对称化波函数的操作为:构造置换P,对所有置换求和。不赘述。结论为

需要注意的是:

  1. 上式中认为所有粒子都是相同的,否则$n!,n’!$应换为每种类型粒子数阶乘的乘积。
  2. 做了近似,不同的$f$无交叠。

对任意两粒子数相同的出态做内积

将入态写为各种粒子数配型的出态之和,则对于固定粒子数的出态

所以概率为

方便起见,取$\int|f(\mathbf p)|^2\tilde{\mathrm dp}=1$,则$\langle in|in\rangle=1$,概率简化为

为了进一步化简,引入$k_{in}=(p_1,\cdots,p_n)$,假设$\mathcal T$随动量变化缓慢。并把波函数拆开得

定义


对于固定的$a^0$,对剩下$(d-1)$个分量做积分。根据定义

由于函数为窄峰,所以近似为

在静止系中$E_j\rightarrow M_j,\rho\rightarrow\rho^{(0)}$。利用能量和速度的关系可以直到静止系密度最小。最终概率

散射截面

两粒子入射,固定靶系(FT)中,入射流为

(1)式中对最后一个积分为

后面那个积分对空间积分为1,再对时间积分为总时间。所以微分散射截面


我们想找到$|\mathbf k_1|M_2$对应的Lorentz标量。先给结论

显然,因为$s=-(k_1+k_2)^2$是Lorentz矢量的内积,所以是标量,进而整体是洛伦兹标量。

设CM(零动量系)中$k_2=(k_2^0,k_2^1,0,0),k_1=(k_1^0,-k_2^1,0,0)$。设FT系相对CM速度为$u$。由于固定2号粒子

因此

所以其正好等于$|\mathbf k_1|_{CM}\sqrt s$

衰变率