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S 行列から不変振幅を取り出す

2026年10月15日1分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第3部 第4章 S 行列と不変振幅

AI 生成・木下が未勉強

場の量子論入門 第3部 第4章 §3.4.2 ★★ M\mathcal{M} の定義。運動学的な因子を分離する。

SS には「何も起こらなかった」場合が含まれている。それを分離して

S=1+iTS=1+\mathrm{i} T

と書く。TT が実際の相互作用を担う部分である。さらに、時空の並進不変性から TT の行列要素は必ず全体の運動量保存のデルタ関数を含む。そこで

不変振幅の定義

⟨f∣iT∣i⟩=(2π)4δ4(∑inp−∑outp)  iM(pi→pf)\langle f | \mathrm{i} T | i \rangle =(2\pi)^4\delta^4\Bigl(\sum_{\rm in}p-\sum_{\rm out}p\Bigr)\;\mathrm{i}\mathcal{M}(p_i\to p_f)

と書き、M\mathcal{M} を不変振幅(invariant amplitude、Feynman 振幅)と呼ぶ。相対論的規格化 ⟨p∣q⟩=2Ep(2π)3δ3(p−q)\langle p | q \rangle =2 E_{\bm{p}}(2\pi)^3\delta^3(\bm{p}-\bm{q}) を使っているので、M\mathcal{M} は Lorentz 不変な量である(スカラー場の散乱なら、M\mathcal{M} は Mandelstam 変数だけの関数になる)。第3章の運動量空間の Feynman 則は、この M\mathcal{M} を直接与えるように書いてある。

順序としては、M\mathcal{M} を不変にするために相対論的規格化を採っている。非相対論の規格化 ⟨p∣q⟩=(2π)3δ3\langle \bm{p} | \bm{q} \rangle =(2\pi)^3\delta^3 では状態あたり 1/2E1/\sqrt{2E} が入り、振幅が Lorentz 変換で形を変える。第6章でポテンシャルと比較するときは、この違いから来る 2m2m の因子を丁寧に扱う。

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