- Editors' Suggestion
- Open Access
Gravitational Compton scattering at the fourth post-Minkowskian order
Phys. Rev. D 114, 085022 – Published 22 October, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/nbxl-68tz
Abstract
We compute the classical gravitational Compton amplitude at the fourth post-Minkowskian order, , within the Worldline Quantum Field Theory framework. We derive the associated -matrix element, which provides the gravitational-wave scattering phase shift at the same order. As a nontrivial check, we show that our result agrees with black hole perturbation theory.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (128)
- T. Regge and J. A. Wheeler, Phys. Rev. 108, 1063 (1957).
- F. J. Zerilli, Phys. Rev. Lett. 24, 737 (1970).
- S. A. Teukolsky, Astrophys. J. 185, 635 (1973).
- S. Mano, H. Suzuki, and E. Takasugi, Prog. Theor. Phys. 95, 1079 (1996).
- S. R. Dolan, Phys. Rev. D 76, 084001 (2007).
- W. D. Goldberger and I. Z. Rothstein, Phys. Rev. D 73, 104029 (2006).
- W. D. Goldberger and I. Z. Rothstein, Phys. Rev. D 73, 104030 (2006).
- S. Foffa and R. Sturani, Classical Quantum Gravity 31, 043001 (2014).
- S. Foffa, P. Mastrolia, R. Sturani, and C. Sturm, Phys. Rev. D 95, 104009 (2017).
- S. Foffa and R. Sturani, Phys. Rev. D 100, 024047 (2019).
- S. Foffa, R. A. Porto, I. Rothstein, and R. Sturani, Phys. Rev. D 100, 024048 (2019).
- S. Foffa, P. Mastrolia, R. Sturani, C. Sturm, and W. J. Torres Bobadilla, Phys. Rev. Lett. 122, 241605 (2019).
- R. A. Porto, M. M. Riva, and Z. Yang, J. High Energy Phys. 04 (2025) 050.
- R. A. Porto and M. M. Riva, arXiv:2604.09545.
- G. Brunello, M. K. Mandal, P. Mastrolia, R. Patil, M. Pegorin, J. Ronca, S. Smith, J. Steinhoff, and W. J. Torres Bobadilla, arXiv:2512.19498.
- G. Brunello, M. K. Mandal, P. Mastrolia, R. Patil, M. Pegorin, S. Smith, and J. Steinhoff, arXiv:2604.14134.
- C. Cheung, I. Z. Rothstein, and M. P. Solon, Phys. Rev. Lett. 121, 251101 (2018).
- N. E. J. Bjerrum-Bohr, P. H. Damgaard, G. Festuccia, L. Planté, and P. Vanhove, Phys. Rev. Lett. 121, 171601 (2018).
- Z. Bern, C. Cheung, R. Roiban, C.-H. Shen, M. P. Solon, and M. Zeng, Phys. Rev. Lett. 122, 201603 (2019).
- Z. Bern, C. Cheung, R. Roiban, C.-H. Shen, M. P. Solon, and M. Zeng, J. High Energy Phys. 10 (2019) 206.
- J. Parra-Martinez, M. S. Ruf, and M. Zeng, J. High Energy Phys. 11 (2020) 023.
- C. Cheung and M. P. Solon, J. High Energy Phys. 06 (2020) 144.
- P. Di Vecchia, C. Heissenberg, R. Russo, and G. Veneziano, J. High Energy Phys. 07 (2021) 169.
- A. Brandhuber, G. Chen, G. Travaglini, and C. Wen, J. High Energy Phys. 10 (2021) 118.
- G. Kälin, Z. Liu, and R. A. Porto, Phys. Rev. Lett. 125, 261103 (2020).
- C. Dlapa, G. Kälin, Z. Liu, and R. A. Porto, Phys. Lett. B 831, 137203 (2022).
- Z. Bern, J. Parra-Martinez, R. Roiban, M. S. Ruf, C.-H. Shen, M. P. Solon, and M. Zeng, Phys. Rev. Lett. 126, 171601 (2021).
- Z. Bern, J. Parra-Martinez, R. Roiban, M. S. Ruf, C.-H. Shen, M. P. Solon, and M. Zeng, Proc. Sci. LL2022 (2022) 051.
- C. Dlapa, G. Kälin, Z. Liu, J. Neef, and R. A. Porto, Phys. Rev. Lett. 130, 101401 (2023).
- G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, B. Sauer, and Y. Xu, Phys. Rev. Lett. 131, 151401 (2023).
- G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and B. Sauer, Phys. Rev. Lett. 131, 241402 (2023).
- P. H. Damgaard, E. R. Hansen, L. Planté, and P. Vanhove, J. High Energy Phys. 09 (2023) 183.
- Z. Bern, E. Herrmann, R. Roiban, M. S. Ruf, A. V. Smirnov, V. A. Smirnov, and M. Zeng, Phys. Rev. Lett. 132, 251601 (2024).
- M. Driesse, G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, B. Sauer, and J. Usovitsch, Phys. Rev. Lett. 132, 241402 (2024).
- Z. Bern, E. Herrmann, R. Roiban, M. S. Ruf, A. V. Smirnov, V. A. Smirnov, and M. Zeng, J. High Energy Phys. 10 (2024) 023.
- M. Driesse, G. U. Jakobsen, A. Klemm, G. Mogull, C. Nega, J. Plefka, B. Sauer, and J. Usovitsch, Nature (London) 641, 603 (2025).
- Z. Bern, E. Herrmann, R. Roiban, M. S. Ruf, A. V. Smirnov, S. Smith, and M. Zeng, Phys. Rev. Lett. 137, 021402 (2026).
- M. Driesse, G. U. Jakobsen, G. Mogull, C. Nega, J. Plefka, B. Sauer, and J. Usovitsch, Phys. Rev. Lett. 137, 081402 (2026).
- C. Dlapa, G. Kälin, Z. Liu, and R. A. Porto, Phys. Rev. D 114, 024029 (2026).
- D. A. Kosower, B. Maybee, and D. O’Connell, J. High Energy Phys. 02 (2019) 137.
- G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff, J. High Energy Phys. 02 (2021) 048.
- G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff, Phys. Rev. Lett. 126, 201103 (2021).
- G. Kälin and R. A. Porto, J. High Energy Phys. 11 (2020) 106.
- G. Kälin, J. Neef, and R. A. Porto, J. High Energy Phys. 01 (2023) 140.
- S. Mougiakakos, M. M. Riva, and F. Vernizzi, Phys. Rev. D 104, 024041 (2021).
- G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff, Phys. Rev. Lett. 128, 011101 (2022).
- S. De Angelis, P. P. Novichkov, and R. Gonzo, Phys. Rev. D 110, L041502 (2024).
- A. Brandhuber, G. R. Brown, G. Chen, J. Gowdy, and G. Travaglini, J. High Energy Phys. 02 (2024) 026.
- R. Aoude, K. Haddad, C. Heissenberg, and A. Helset, Phys. Rev. D 109, 036007 (2024).
- A. Falkowski and P. Marinellis, Eur. Phys. J. C 85, 74 (2025).
- G. Brunello, V. Chestnov, G. Crisanti, M. Giroux, and S. Smith, Phys. Rev. D 113, 085011 (2026).
- A. Brandhuber, G. R. Brown, G. Chen, S. De Angelis, J. Gowdy, and G. Travaglini, J. High Energy Phys. 06 (2023) 048.
- A. Herderschee, R. Roiban, and F. Teng, J. High Energy Phys. 06 (2023) 004.
- A. Georgoudis, C. Heissenberg, and I. Vazquez-Holm, J. High Energy Phys. 06 (2023) 126.
- A. Elkhidir, D. O’Connell, M. Sergola, and I. A. Vazquez-Holm, J. High Energy Phys. 07 (2024) 272.
- S. Caron-Huot, M. Giroux, H. S. Hannesdottir, and S. Mizera, J. High Energy Phys. 01 (2024) 139.
- L. Bohnenblust, H. Ita, M. Kraus, and J. Schlenk, J. High Energy Phys. 11 (2024) 109.
- G. Brunello and S. De Angelis, J. High Energy Phys. 07 (2024) 062.
- L. Bohnenblust, H. Ita, M. Kraus, and J. Schlenk, J. High Energy Phys. 12 (2025) 100.
- G. Brunello, S. De Angelis, and D. A. Kosower, Phys. Rev. D 114, 045004 (2026).
- N. E. J. Bjerrum-Bohr, G. Chen, C. J. Eriksen, and N. Shah, J. High Energy Phys. 10 (2025) 235.
- D. Akpinar, Phys. Rev. D 113, 045003 (2026).
- N. E. J. Bjerrum-Bohr, G. Chen, C. Jordan Eriksen, and N. Shah, arXiv:2602.06947.
- Y. F. Bautista, M. Driesse, K. Haddad, and G. U. Jakobsen, J. High Energy Phys. 05 (2026) 252.
- M. M. Ivanov, Y.-Z. Li, J. Parra-Martinez, and Z. Zhou, arXiv:2602.06951.
- P. H. Damgaard, L. Plante, and P. Vanhove, J. High Energy Phys. 11 (2021) 213.
- P. Di Vecchia, C. Heissenberg, R. Russo, and G. Veneziano, Phys. Rep. 1083, 1 (2024).
- J.-W. Kim, R. Patil, T. Scheopner, and J. Steinhoff, J. High Energy Phys. 03 (2026) 241.
- M. M. Ivanov and Z. Zhou, Phys. Rev. Lett. 130, 091403 (2023).
- M. V. S. Saketh, Z. Zhou, and M. M. Ivanov, Phys. Rev. D 109, 064058 (2024).
- M. M. Ivanov, Y.-Z. Li, J. Parra-Martinez, and Z. Zhou, Phys. Rev. Lett. 132, 131401 (2024); 134, 159901(E) (2025).
- S. Caron-Huot, M. Correia, G. Isabella, and M. Solon, Phys. Rev. Lett. 135, 191601 (2025).
- M. Correia and G. Isabella, J. High Energy Phys. 03 (2025) 144.
- G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and B. Sauer, J. High Energy Phys. 10 (2022) 128.
- F. V. Tkachov, Phys. Lett. 100B, 65 (1981).
- K. G. Chetyrkin and F. V. Tkachov, Nucl. Phys. B192, 159 (1981).
- S. Laporta, Int. J. Mod. Phys. A 15, 5087 (2000).
- A. V. Kotikov, Phys. Lett. B 254, 158 (1991).
- A. V. Kotikov, Phys. Lett. B 267, 123 (1991); 295, 409(E) (1992).
- E. Remiddi, Nuovo Cimento A 110, 1435 (1997).
- T. Gehrmann and E. Remiddi, Nucl. Phys. B580, 485 (2000).
- M. Argeri and P. Mastrolia, Int. J. Mod. Phys. A 22, 4375 (2007).
- J. M. Henn, Phys. Rev. Lett. 110, 251601 (2013).
- M. Argeri, S. Di Vita, P. Mastrolia, E. Mirabella, J. Schlenk, U. Schubert, and L. Tancredi, J. High Energy Phys. 03 (2014) 082.
- J. S. Schwinger, J. Math. Phys. (N.Y.) 2, 407 (1961).
- L. V. Keldysh, Sov. Phys. JETP 20, 1018 (1965).
- F. A. Berends and W. T. Giele, Nucl. Phys. B306, 759 (1988).
- G. U. Jakobsen, Gravitational scattering of compact bodies from worldline quantum field theory, Ph.D. thesis, Humboldt U., Berlin, Humboldt U., Berlin (main), 2023, arXiv:2308.04388.
- J. Davies, T. Kaneko, C. Marinissen, T. Ueda, and J. A. M. Vermaseren, arXiv:2601.19982.
- C. Anastasiou, J. Karlen, and M. Vicini, J. High Energy Phys. 12 (2023) 169.
- G. Brunello, P. Mastrolia, J. Ronca, S. Smith, and M. Zeng (to be published).
- J. Gluza, K. Kajda, and D. A. Kosower, Phys. Rev. D 83, 045012 (2011).
- Z. Wu, J. Boehm, R. Ma, H. Xu, and Y. Zhang, Comput. Phys. Commun. 295, 108999 (2024).
- Z. Wu, J. Böhm, R. Ma, J. Usovitsch, Y. Xu, and Y. Zhang, Comput. Phys. Commun. 316, 109798 (2025).
- S. Smith and M. Zeng, J. High Energy Phys. 01 (2026) 102.
- F. Lange, J. Usovitsch, and Z. Wu, Comput. Phys. Commun. 322, 109999 (2026).
- T. Peraro, J. High Energy Phys. 07 (2019) 031.
- W. Flieger and W. J. Torres Bobadilla, Eur. Phys. J. Plus 139, 1022 (2024).
- L. Görges, C. Nega, L. Tancredi, and F. J. Wagner, J. High Energy Phys. 07 (2023) 206.
- C. Duhr, S. Maggio, C. Nega, B. Sauer, L. Tancredi, and F. J. Wagner, J. High Energy Phys. 06 (2025) 128.
- F. Forner, C. C. Mella, C. Nega, L. Tancredi, and F. J. Wagner, arXiv:2604.25270.
- C. Meyer, Comput. Phys. Commun. 222, 295 (2018).
- K.-T. Chen, Bull. Am. Math. Soc. 83, 831 (1977).
- E. Remiddi and J. A. M. Vermaseren, Int. J. Mod. Phys. A 15, 725 (2000).
- J. Broedel, C. Duhr, F. Dulat, B. Penante, and L. Tancredi, J. High Energy Phys. 01 (2019) 023.
- C. Duhr and F. Dulat, J. High Energy Phys. 08 (2019) 135.
- M. Beneke and V. A. Smirnov, Nucl. Phys. B522, 321 (1998).
- A. Pak and A. Smirnov, Eur. Phys. J. C 71, 1626 (2011).
- B. Jantzen, A. V. Smirnov, and V. A. Smirnov, Eur. Phys. J. C 72, 2139 (2012).
- P. Mastrolia, M. Passera, A. Primo, and U. Schubert, J. High Energy Phys. 11 (2017) 198.
- F. Dulat and B. Mistlberger, arXiv:1411.3586.
- V. Chestnov, S. J. Matsubara-Heo, H. J. Munch, and N. Takayama, J. High Energy Phys. 11 (2023) 202.
- S. Laporta, Phys. Lett. B 523, 95 (2001).
- R. N. Lee and V. A. Smirnov, J. High Energy Phys. 02 (2011) 102.
- K. G. Chetyrkin and A. G. Grozin, Nucl. Phys. B666, 289 (2003).
- C. Dlapa, G. Kälin, Z. Liu, and R. A. Porto, J. High Energy Phys. 08 (2023) 109.
- R. Jinno, G. Kälin, Z. Liu, and H. Rubira, J. High Energy Phys. 07 (2023) 181.
- X. Liu and Y.-Q. Ma, Comput. Phys. Commun. 283, 108565 (2023).
- S. Weinberg, Phys. Rev. 140, B516 (1965).
- S. Weinberg, The Quantum Theory of Fields. Vol. 1: Foundations (Cambridge University Press, Cambridge, England, 2005).
- S. Weinberg, The Quantum Theory of Fields. Vol. 2: Modern Applications (Cambridge University Press, Cambridge, England, 2013).
- A. Brandhuber, G. R. Brown, P. Pichini, G. Travaglini, and P. Vives Matasan, J. High Energy Phys. 07 (2026) 151.
- C. Anastasiou and K. Melnikov, Nucl. Phys. B646, 220 (2002).
- C. Anastasiou, K. Melnikov, and F. Petriello, Phys. Rev. D 69, 076010 (2004).
- Black Hole Perturbation Toolkit, https://bhptoolkit.org.
- J. Markovic and M. M. Ivanov, Phys. Rev. D 114, 024002 (2026).
- Y. F. Bautista, M. Driesse, K. Haddad, and G. U. Jakobsen, arXiv:2606.27544.
- V. A. Smirnov, Analytic Tools for Feynman Integrals (Springer, Berlin, Heidelberg, 2012), Vol. 250.