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计算一个过程

画、查、算——这就是计算空间所做的事。从图到截面,途中经过模型给出的规则。

画一张图

画布可以平移(用选择工具拖动背景)、缩放(触控板捏合双指捏合、工具栏的 ± 按钮、⌘+Ctrl + / ⌘−Ctrl −),也可以重新居中到图上(⌘0Ctrl 0 或中间那个按钮);缩放比例显示在右下角。三个工具,工具栏和调色板里都有:

工具操作效果
顶点在画布上点击放一个顶点。放在某条外线的自由端上,就与它相连。
线从一个顶点拖到另一个顶点调色板中所选粒子的内线(传播子)。
从顶点拖向空白处离开该顶点的外线。
从空白处拖向顶点进入该顶点的外线。
选择点击、拖动选中并移动一个顶点或一条外线的端点;分析标签页的选择框会显示其属性。⌫Delete 或删除按钮可将其抹去。

要绘制的粒子框列出模型中的各个场,附显示名(e−/e+e^-/e^+、W+/W−W^+/W^- ……)、在模型语言中的名字以及 PDG 蒙特卡罗编码。把光标停在某个粒子上:气泡会提示自旋、电荷、色、质量与宽度。

每条外线都有编号:那就是它在规则和振幅中的动量 p1,p2,…p_1, p_2, \dots…。选中一条外线可更换它的粒子(场)、切换为反粒子,或在时间方向不作判读时自行指定方向。选中一条内线则可看到它的场以及粒子的流向(起点 → 终点;反转流向)。

时间的方向

沿时间轴按费曼–斯图克尔贝格方式判读外线
在时间 →下,顶点左边的外线为入射,右边的为出射。其余由费米子流的箭头决定:顺着时间是粒子,逆着时间是反粒子。

默认情况下按时间方向判读外线是开启的。画布于是像读书那样读这张图:外线相对于其顶点、沿时间轴(时间 → 或时间 ↑)的位置决定它是入射还是出射,而箭头逆着时间走的费米子线就是反粒子。拖动一条外线时,调色板会预告松手后它将是什么。

关掉这个选项,就可以在每条外线上自行指定入射 / 出射以及粒子 / 反粒子 —— 对于摆放方式不常见的图很有用。时间方向对计算毫无影响:它只作用于判读,以及排列——后者把入射的外线放一边、出射的放另一边。

检查:分析标签页

每改动一次,分析就重做一次。开头是:过程(例如 e−e+→μ−μ+e^-e^+\to\mu^-\mu^+)、外线数、顶点数、内线数与圈数,随后是结论:

接下来是几个框:顶点(每个顶点对应的规则及其流入动量)、内线动量(每个传播子及其用 pip_i 表示的动量)、费米子链(旋量按什么次序读 —— 若有马约拉纳场,还给出每条链的取向),以及费曼规则与振幅:以 LaTeX 写出的各顶点,和装配好的振幅 iMi\mathcal M,旋量链与传播子都一一写明。

解析 ⟨|ℳ|²⟩ 框会把符号引擎作用到该过程的全部有效图上:狄拉克迹、极化与色求和、对初态取平均,结果用 s,t,us, t, u 表示。三个勾选项可简化写法:省略零质量、u = Σm² − s − t、cW² = 1 − sW²。

多张图与自动生成

图框保存本文稿的图列表。+ 添加一张空图,⧉ 复制当前图并保留其外线(画同一过程的第二张图时很方便),− 删除。每张图前面的勾选框决定它是否进入振幅求和;全部图一次全选或全不选,而计数「已求和 n 张」会说明实际会加上几张。这个选择随文稿一起保存 —— 拿来单独考察某个道(只留 Z、只留 t 道),或者通过比较有无来测量干涉,都很方便。

生成会把由当前图外线所确定的那个过程的全部树图列举出来,自动摆放,并按其顶点与传播子命名。有两种做法:添加缺失的图只补全您画的部分而不动它们(无论怎么摆放,重复的都能认出来);替换为全部树图则从头再来。

计算标签页里的一切计算,针对的都是本文稿中与当前图描述同一过程的、有效的那些图的振幅之和 —— 入射与出射粒子相同即可,您当初以什么次序拉出外线并不要紧:pip_i 的编号会自动对齐到当前图。每个结果前都会重申参与求和的图有几张,被撇下的图也会连同原因一并列出(未勾选、不成立,或属于别的过程)。若要单独看某一张图的贡献,请删掉其余的 —— 或者复制一份文稿。

计算:计算标签页

对于 2→22\to2 散射:填入以 GeV 为单位的 √s 和 cos θ(质心系中的散射角),然后点计算。您会得到 ⟨∣M∣2⟩\langle|\mathcal M|^2\rangle(对初态自旋与色取平均、对末态求和)、该角度下以 pb 为单位的 dσ/dΩd\sigma/d\Omega、一张 dσ/dΩ(cos⁡θ)d\sigma/d\Omega(\cos\theta) 表,以及用高斯–勒让德求积得到的总截面;对有库仑极点的过程(Bhabha、低能康普顿……)总 σ\sigma 发散,可用 ∣cos⁡θ∣≤c|\cos\theta|\le c 的截断。dσ/dΩ(cos⁡θ)d\sigma/d\Omega(\cos\theta) 曲线可切换到纵轴对数,也可以导出(见下文)。

表达式与计算步骤这一组,在计算过程中和结束后都会显示内核在做什么:张量网络的收缩、螺旋度循环、平均因子、GeV−2→pb\mathrm{GeV^{-2}}\to\mathrm{pb} 的换算(1 GeV−2=0.3894 mb1\ \mathrm{GeV^{-2}} = 0.3894\ \mathrm{mb})。计算会用上所有核心。

随能量作图

σ(e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻) 随 √s 的变化
扫描还会导出一张 s\sqrt s、σ\sigma、dσ/dΩd\sigma/d\Omega、⟨∣M∣2⟩\langle|\mathcal M|^2\rangle 的数据表。

随能量变化的曲线:给出 √s 从 …… 至 ……、点数、对数或线性刻度、物理量(总 σ\sigma、给定 cos⁡θ\cos\theta 处的 dσ/dΩd\sigma/d\Omega,或 ⟨∣M∣2⟩\langle|\mathcal M|^2\rangle),然后点绘制。坐标轴会自动适配数据;只要模型中声明了玻色子的宽度,共振峰就会出现。勾选√s 对数会把取点按对数分布(横轴也转为对数),勾选纵轴对数则只改纵向刻度,不重新计算。

点一下图(或点放大镜)就会在一个可调大小的面板中放大显示,设置与导出菜单都一样。每张图 —— 能量曲线也好,dσ/dΩ(cos⁡θ)d\sigma/d\Omega(\cos\theta) 曲线也好 —— 都有自己的导出菜单:PNG 图像(双倍分辨率)、PDF 文稿或 SVG 图形(矢量)—— 采用适合发表的样式:坐标轴带边框、网格、对数轴上的 10n10^n 刻度、标注出极大值 —— 或者CSV 数据(表中所有列),标题中会写明过程与能量。

衰变

当图只有一条入射外线时,计算标签页就变成静止衰变的计算页:分宽度 Γ(两体用闭式公式,三体用 Dalitz 积分)、寿命 τ = ħ/Γ 与半衰期 T½;若模型为母粒子声明了总宽度,还会给出分支比。

τ\tau 与 T1/2T_{1/2} 假定所求和的这些图构成了全部宽度。对 μ 子或带电 π 介子确实如此;对 Z,请改用分支比。末态中的全同粒子会自动获得 1/n!1/n! 因子(X→uuX\to uu,π0→γγ\pi^0\to\gamma\gamma,h→…h\to\dots…)。

超出 2→22\to2:蒙特卡罗

对 2→32\to3、2→42\to4、1→41\to4……,相空间用蒙特卡罗积分(RAMBO 算法),可设所需的点数与若干截断:每个末态粒子的最小能量、每一对的最小质量、相对束流的最大 ∣cos⁡θ∣|\cos\theta|。结果会附带统计误差。一旦有无质量的光子或胶子发射出来(软发散与共线发散),截断就必不可少。

理论标签页

它显示当前模型的源文本:相互作用拉格朗日量、场、参数及其取值,随后是可展开的全部导出顶点列表。对内置模型,按复制以编辑;对您自己的模型,改完后按应用 —— 语法错误会带行号指出,各图会按新规则重新分析。导出…把模型写成一个 .feyn 文件,便于分享或纳入版本管理。

对由 UFO 导入的模型,这一页会说明来源、场数、顶点数与参数数,并给出导入说明(被忽略的顶点、所用约定)。它的规则不可编辑:请修改原来的 FeynRules 模型再重新导入。