<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD with OASIS Tables with MathML3 v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing-oasis-article1-3-mathml3.dtd">
<article article-type="research-article" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:oasis="http://www.niso.org/standards/z39-96/ns/oasis-exchange/table"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">PRD</journal-id><journal-id journal-id-type="coden">PRVDAQ</journal-id><journal-title-group><journal-title>Physical Review D</journal-title><abbrev-journal-title>Phys. Rev. D</abbrev-journal-title></journal-title-group><issn pub-type="ppub">2470-0010</issn><issn pub-type="epub">2470-0029</issn><publisher><publisher-name>American Physical Society</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.085006</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="toc-major"><subject>ARTICLES</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="toc-minor"><subject>Formal aspects of field theory, field theory in curved space</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Collective coordinate models for 2-vortex shape mode dynamics</article-title><alt-title alt-title-type="running-title">COLLECTIVE COORDINATE MODELS FOR 2-VORTEX SHAPE …</alt-title><alt-title alt-title-type="running-author">A. ALONSO IZQUIERDO <italic>et al.</italic></alt-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-3882-3702</contrib-id><name><surname>Alonso Izquierdo</surname><given-names>A.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1"><sup>1</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-2938-156X</contrib-id><name><surname>Manton</surname><given-names>N. S.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a2"><sup>2</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0001-7928-9086</contrib-id><name><surname>Mateos Guilarte</surname><given-names>J.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a3"><sup>3</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-0353-4812</contrib-id><name><surname>Wereszczynski</surname><given-names>A.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1 a4 a5"><sup>1,4,5</sup></xref></contrib><aff id="a1"><label><sup>1</sup></label>Departamento de Matematica Aplicada, <institution-wrap><institution>Universidad de Salamanca</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/02f40zc51</institution-id></institution-wrap>, Salamanca, Spain</aff><aff id="a2"><label><sup>2</sup></label><institution-wrap><institution>Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/013meh722</institution-id></institution-wrap>, Cambridge, United Kingdom</aff><aff id="a3"><label><sup>3</sup></label>Departamento de Fisica Fundamental, <institution-wrap><institution>Universidad de Salamanca</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/02f40zc51</institution-id></institution-wrap>, Salamanca, Spain</aff><aff id="a4"><label><sup>4</sup></label>Institute of Theoretical Physics, <institution-wrap><institution>Jagiellonian University</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/03bqmcz70</institution-id></institution-wrap>, Krakow, Poland</aff><aff id="a5"><label><sup>5</sup></label>International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2), <institution-wrap><institution>Hiroshima University</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/03t78wx29</institution-id></institution-wrap>, Hiroshima, Japan</aff></contrib-group><pub-date iso-8601-date="2024-10-03" date-type="pub" publication-format="electronic"><day>3</day><month>October</month><year>2024</year></pub-date><pub-date iso-8601-date="2024-10-15" date-type="pub" publication-format="print"><day>15</day><month>October</month><year>2024</year></pub-date><volume>110</volume><issue>8</issue><elocation-id>085006</elocation-id><pub-history><event><date iso-8601-date="2024-07-26" date-type="received"><day>26</day><month>July</month><year>2024</year></date></event><event><date iso-8601-date="2024-09-12" date-type="accepted"><day>12</day><month>September</month><year>2024</year></date></event></pub-history><permissions><copyright-statement>Published by the American Physical Society</copyright-statement><copyright-year>2024</copyright-year><copyright-holder>authors</copyright-holder><license license-type="creative-commons" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><license-p content-type="usage-statement">Published by the American Physical Society under the terms of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International</ext-link> license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP<sup>3</sup>.</license-p></license></permissions><related-article ext-link-type="doi" xlink:href="10.48550/arXiv.2405.20249" related-article-type="preprint"/><abstract><p>Models are developed for the motion of charge-2 Abelian Higgs vortices through the 2-vortex moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with the vortices excited by their shape mode oscillations. The models simplify to the well-known geodesic flow on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, modified by a potential, when the mode oscillations are fast relative to the moduli space motion and their amplitudes are small. When the lowest-frequency mode is excited with a large amplitude, the geodesic flow is not a correct description. Instead, a chaotic, or even fractal, multibounce structure in vortex-vortex collisions is predicted.</p></abstract><funding-group><award-group award-type="grant"><funding-source country="ES"><institution-wrap><institution>Ministerio de Ciencia e Innovación</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100004837</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>PRTRC17.I1</award-id><award-id>PID2020–113406GB-I0</award-id></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="EU"><institution-wrap><institution>European Commission</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100000780</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="ES"><institution-wrap><institution>Consejería de Educación, Junta de Castilla y León</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100008431</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="EU"><institution-wrap><institution>European Regional Development Fund</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100008530</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="grant"><funding-source country="GB"><institution-wrap><institution>Science and Technology Facilities Council</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100000271</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>ST/T000694/1</award-id></award-group><award-group award-type="grant"><funding-source country="PL"><institution-wrap><institution>Narodowe Centrum Nauki</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100004281</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>NCN 2019/35/B/ST2/00059</award-id></award-group></funding-group><counts><page-count count="19"/></counts></article-meta></front><body><sec id="s1"><label>I.</label><title>INTRODUCTION</title><p>The vortices in the Abelian Higgs model generally, and in its critical coupling (BPS) version particularly, are prototypical examples of topological solitons in higher dimensions. Since discovered, their static and dynamical properties have been extensively studied from both the analytical as well as the numerical perspective. In particular, low-energy multivortex scatterings reveal various nontrivial features as, e.g., 90° scattering in head-on collisions of two unit charge BPS vortices. This has found an elegant description in terms of the geodesic motion on a corresponding moduli space of energy equivalent BPS vortex solutions.</p><p>The aim of the present work is to understand how the geodesic motion is affected if one departs from the lowest-order regime and allows for excitation of the internal modes hosted by the vortices.</p><p>It has been known for some time that a unit-charge, critically coupled Abelian Higgs vortex (a BPS vortex) has a unique shape mode—a discrete, normalizable, radial oscillation mode whose frequency is below that of the continuum of radiation modes <xref ref-type="bibr" rid="c1">[1]</xref>. More recently, the shape modes of higher-charge, circularly symmetric (i.e., coincident) vortices have been determined. There is a finite number of these modes, the number increasing somewhat irregularly with the charge <xref ref-type="bibr" rid="c2 c3 c4">[2–4]</xref>. More recently still, we studied how these shape modes and their frequencies vary over the 2-vortex moduli space <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref>. We confirmed that the circularly symmetric 2-vortex has three shape modes, of which the upper two are degenerate. We also found that the degeneracy is broken as the vortices separate, and at a modest separation, the highest mode disappears into the continuum spectrum. The remaining two modes, as the vortices separate further, are the in-phase and 180° out-of-phase combinations of the radial shape modes of the two individual vortices. The in-phase combination has the lower frequency, but the frequencies merge at asymptotically large separation.</p><p>Over the 2-vortex moduli space, then, there is a nondegenerate lowest-frequency shape mode and two higher-frequency modes, whose frequencies degenerate at vortex coincidence. Here, we first construct a model for the oscillatory dynamics of the lowest mode coupled to 2-vortex motion through the moduli space and then a model for the dynamics of the two higher-frequency modes. We do not attempt to model a simultaneous excitation of all three modes.</p><p>We will need to use the curved metric on the 2-vortex moduli space. Samols investigated this metric for vortices moving in a plane and discovered a formula for it just involving field data close to the vortex centers. This could be exploited to calculate the metric numerically <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>. The center of mass decouples and has a flat metric, so the nontrivial factor is the moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the relative motion of the two vortices, with the center of mass fixed. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a smooth, two-dimensional manifold with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> rotational symmetry (a surface of revolution), and its curvature is such that it can be embedded in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> as a rounded cone whose apex corresponds to coincident vortices. The mode frequencies vary over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respecting this rotational symmetry.</p><p>The model for the lowest shape mode is simpler than the model for the upper modes. Its ingredients are the metric and the lowest mode’s frequency over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The resulting three-variable dynamics is not integrable, but provided the mode amplitude is small and the motion through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is slow, we can perform an adiabatic analysis because the mode oscillation is fast compared with the motion through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The reduced, two-variable dynamics is then integrable, using the conserved angular momentum and conserved energy. We find that the geodesic dynamics through moduli space that occurs in the absence of the mode excitation is modified by an induced potential energy function proportional to the mode’s frequency. Such a result is standard in the context of adiabatic dynamics.</p><p>The second model, for the excited upper pair of modes, is more sophisticated because of the conical structure of the frequencies around the point of vortex coincidence (the apex of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>), but it is only applicable when the two vortices are close together, as the highest mode (the third) disappears into the continuum spectrum when the vortices reach a modest separation. We can therefore approximate the moduli space as being flat, or of constant curvature, because its relevant inner region is a small neighborhood of the apex. The generic dynamics is still quite complicated and is best studied numerically.</p><p>This model simplifies if the relative vortex motion is restricted to be head-on, and it naturally joins up to a model for head-on motion in the outer region of moduli space, where the third mode is absent. We can therefore study a head-on collision where the vortices approach from infinity with the second mode excited. In the adiabatic approximation, this is similar to a head-on collision with the lowest mode excited, but the induced potential is repulsive rather than attractive.</p><p>Both the metric and mode frequencies over the moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> are only known numerically, but it is helpful to work with analytical formulas. We start in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>, therefore, by deriving a good analytical approximation to the metric (and a simplified variant of this) and also present simple formulas for the frequencies of the three modes that fit the numerical results.</p><p>Section <xref ref-type="sec" rid="s3">III</xref> discusses the model for the dynamics with the lowest mode excited and presents numerical results for a head-on collision. The main change, in comparison with the geodesic flow describing the evolution of unexcited BPS vortices, is the appearance of an attractive mode-induced force. This has a great effect on vortex-vortex collisions. When the amplitude of oscillation is fairly large, the dynamics is complicated and exhibits a chaotic structure of multibounce windows reminiscent of what occurs in kink-antikink dynamics in one space dimension <xref ref-type="bibr" rid="c7 c8 c9">[7–9]</xref>. In this regime, the geodesic dynamics fails completely. We also perform the small-amplitude adiabatic analysis and derive a reduced dynamics that is integrable. Here, a head-on vortex collision always leads to scattering through 90° (i.e., one bounce), and there are no multibounces.</p><p>Section <xref ref-type="sec" rid="s4">IV</xref> discusses the dynamics with the higher-frequency modes excited. Here, the adiabatic dynamics for small-amplitude oscillations is more interesting because of the degeneracy of the second and third modes when the vortices coincide. Large-amplitude oscillations lead to complicated dynamics that we do not study in any detail. However, we do present numerical results for head-on collisions where only the second mode is initially excited, and the excitation transfers to the third mode if the vortices pass through the circularly symmetric configuration at the apex of the moduli space and scatter through 90°. In this case, the excitation of the mode gives rise to a force which changes sign at the apex. An initially repulsive interaction as the vortices approach changes into an attractive one as they separate at 90°. As a consequence, the vortices can stop and return—there is then two bounces (i.e., backward) scattering. No further bounces are observed to occur.</p><p>In an Appendix, we present some details of how our finite-dimensional models for the modes, coupled to the moduli space dynamics, emerge from the underlying field theory.</p></sec><sec id="s2"><label>II.</label><title>APPROXIMATE METRIC AND MODE FREQUENCIES ON THE 2-VORTEX MODULI SPACE</title><p>The lowest-order dynamics of two unit-charge BPS vortices is captured by geodesic motion on the moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> equipped with a curved metric originally found by Samols <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>. Here, the kinetic degrees of freedom of the vortices are excited, but their internal shape modes are not.</p><p>In the physical 2-plane, we use Cartesian coordinates <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The Higgs field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of a centered 2-vortex has zeros at an unconstrained pair of locations <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so we can denote a point in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> (up to a sign) by Cartesian/polar coordinates <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and combine these into the complex coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. We refer to the real and imaginary axes in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>-plane (and also the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>- and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>-axis in the physical plane) as horizontal and vertical, respectively. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a natural complex coordinate on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with its magnitude and argument having the ranges <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The vortex centers (the Higgs field zeros) are precisely at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the physical 2-plane. Because vortices are indistinguishable, a shift of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> maps a 2-vortex configuration into itself, which explains the limited range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. A simple geodesic on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is where the vortices approach head on along the horizontal axis, instantaneously coalesce at the origin, and then separate along the vertical axis. Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> jumps by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>The exact metric on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> has the general, circularly symmetric form <disp-formula id="d1"><mml:math display="block"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(1)</label></disp-formula>For small and large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the conformal factor is <disp-formula id="d2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>γ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(2)</label></disp-formula>Here, we have absorbed a factor of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> into Samols’s original metric; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is approximately 0.433. For large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the metric is asymptotically flat, with an exponentially small correction <xref ref-type="bibr" rid="c10">[10]</xref> that we neglect. Because of the range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is not asymptotically a plane but an intrinsically flat cone, whose half-opening angle is 30° (in the embedding in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>). <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is globally a rounded cone—a flat cone whose apex is smoothly rounded off. The factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> ensures that the metric is smooth at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This is verified by changing to a coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, whose argument has range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is a better global coordinate than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as it ignores the sign of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, thereby taking into account the identity of the two vortices. If we write <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are useful Cartesian coordinates on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, even though <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is curved. Then, <disp-formula id="d3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3)</label></disp-formula>where the conformal factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a function only of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>.</p><p>A head-on collision, described earlier using the coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, becomes a smooth motion along the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>. However, because the geodesics on the asymptotically flat cone are simply straight lines in terms of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we will often work with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> as the coordinate on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> but at other times with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>For our purposes, it is convenient to have good approximations to the metric on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, enabling us to determine geodesics analytically, and hence vortex scattering in the absence of shape mode oscillations. To test these approximations, we compare the dependence of the scattering angle on impact parameter with the dependence obtained for the exact metric, presented graphically by Samols <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>. We consider two approximate metrics and will use these later when discussing small-amplitude oscillations of the vortex shape modes and their effects on vortex dynamics and scattering. These approximations to the Samols geometry are novel and could be more broadly useful, e.g., for studying vortex quantum states or approximating the moduli space metric for more than two vortices.</p><p>A striking result of Samols is that the rounded cone has an area deficit of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> relative to the completed flat cone, extrapolated to its pointed apex <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>. We will reproduce this area deficit exactly with our approximate metrics.</p><sec id="s2a"><label>A.</label><title>Spherical cap approximation</title><p>For our first approximation, we attach a spherical cap to a truncated flat cone of opening angle 30°, maintaining a continuous tangent. The join needs to be at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. The total metric is <disp-formula id="d4"><mml:math display="block"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(4)</label></disp-formula>where <disp-formula id="d5"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="10ex" stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6912</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>108</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math><label>(5)</label></disp-formula><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is continuous, and both functions in <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref> have zero derivative at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. To verify that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> it is a sphere metric, we introduce<fn id="fn1"><label><sup>1</sup></label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is used consistently throughout this paper; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> for some constant positive multiple <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, but <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> varies between (sub)sections.</p></fn> <disp-formula id="d6"><mml:math display="block"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>108</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>108</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(6)</label></disp-formula>In terms of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> we find that, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d7"><mml:math display="block"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6912</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>108</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(7)</label></disp-formula>The last expression represents the metric on a sphere with squared radius <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> the stereographic coordinate.</p><p>Note that the spherical cap is restricted to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, which implies that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>3</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. Hence, on the cap, the maximal polar angle is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>°</mml:mi></mml:math></inline-formula>. (Use <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>tan</mml:mi><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> to verify this.) The boundary circles of the cap and the truncated cone have equal lengths <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. Also, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> has the correct range for the cap to join the flat cone with a continuous tangent.</p><p>Finally, the area deficit of the approximate metric <xref ref-type="disp-formula" rid="d4">(4)</xref> is correct. To see this, we compare the area of the missing part of the flat cone, <disp-formula id="d8"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>cone</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:msubsup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(8)</label></disp-formula>where the prefactor is the range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with the area of the spherical cap <disp-formula id="d9"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>cap</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6912</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>108</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(9)</label></disp-formula><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>cap</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is one-quarter of the area of a complete sphere of squared radius <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The difference of the areas is <disp-formula id="d10"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>cone</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>cap</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(10)</label></disp-formula>as required.</p><p>In this spherical cap approximation, a geodesic on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is formed from a straight line on the flat cone, joined to a segment of a great circle on the spherical cap, joined to another straight line on the cone. It will be convenient to consider the geodesics in the right-hand half-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>-plane that are reflection symmetric with respect to the real axis. Any geodesic can be rotated to such a position. Some geodesics on the cone are sufficiently far from the vertex that they do not intersect the spherical cap. These geodesics are complete straight lines in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane, parallel to the imaginary axis, describing 2-vortex motion without scattering.</p><p>For the approximate metric <xref ref-type="disp-formula" rid="d4">(4)</xref>, with the conformal factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, a dynamical geodesic trajectory <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> arises as the solution of the equation of motion for a particle with Lagrangian <disp-formula id="d11"><mml:math display="block"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(11)</label></disp-formula>There are two constants of motion, the energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> and angular momentum <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the same expression as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p><p>Asymptotically, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the mass of a 1-vortex. The angular momentum of the incoming motion is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the speed of each vortex and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the impact parameter (half the orthogonal separation of the incoming, parallel paths of the two vortices in the physical plane). The initial energy is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, so <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Any geodesic has a point of closest approach of the two vortices, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> takes its minimum value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, so <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> cancels in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and conservation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> implies that <disp-formula id="d12"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(12)</label></disp-formula>This relation between the closest approach and the impact parameter will be useful shortly. For a geodesic that does not intersect the spherical cap, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is simply <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>Geodesics on the spherical cap are segments of great circles on the complete sphere. In terms of the stereographic coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the cap, these great circles are a family of circles in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane, having the algebraic equation <disp-formula id="d13"><mml:math display="block"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(13)</label></disp-formula>where the parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is real and positive. This family is algebraically the linear join of the equatorial great circle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and the line <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which describes a great circle through the pole of the cap (the rounded cone’s apex). They are all great circles because they pass through the antipodal points <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the sphere. As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>3</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> on the spherical cap, the relevant range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>3</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>3</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, the geodesic just touches the cap at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>3</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, and for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the geodesic passes through the pole and represents a head-on collision of vortices.</p><p>For the conformal factor on the spherical cap <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref>, the relation giving the closest approach is <disp-formula id="d14"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6912</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>108</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(14)</label></disp-formula>so <disp-formula id="d15"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo minsize="7ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mn>8</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo minsize="7ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(15)</label></disp-formula>From this, we can determine the relation between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the impact parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The closest approach of the circle <xref ref-type="disp-formula" rid="d13">(13)</xref> to the origin is where the circle crosses the real axis. This is where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, so <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi></mml:math></inline-formula>. As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msqrt><mml:mn>108</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> at closest approach, we deduce that <disp-formula id="d16"><mml:math display="block"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo minsize="7ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mn>8</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo minsize="7ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(16)</label></disp-formula>which fortunately simplifies to <disp-formula id="d17"><mml:math display="block"><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>8</mml:mn><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(17)</label></disp-formula></p><p>To understand vortex scattering, we focus on the coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The great circle segments in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane become segments of quartic curves in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane, with reflection symmetry in the real axis, although we do not need to know these curves in detail. Because the flat-cone parts of a geodesic are straight (in the coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>), scattering only occurs on the curved segment, i.e., on the spherical cap. The scattering angle depends on the change of direction of this segment, between its start and end points. The direction of an infinitesimal part of a segment is the argument of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and by reflection symmetry, the change of direction along this segment is directly related to the difference between the arguments of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, that is, to the argument of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, evaluated at the end point of the segment.</p><p>To calculate the argument of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, we note that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>108</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msqrt><mml:mi>z</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, so <disp-formula id="d18"><mml:math display="block"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>108</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>z</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>108</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(18)</label></disp-formula>Therefore, <disp-formula id="d19"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfrac></mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(19)</label></disp-formula>Next, taking the differential of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d13">(13)</xref> for a great circle segment, we find that <disp-formula id="d20"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(20)</label></disp-formula>so everywhere along the segment, <disp-formula id="d21"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:mfrac></mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(21)</label></disp-formula>The end points in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane are where the circle <xref ref-type="disp-formula" rid="d13">(13)</xref> intersects the boundary circle of the spherical cap, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>3</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. The end point with positive imaginary part is <disp-formula id="d22"><mml:math display="block"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(22)</label></disp-formula>After some manipulation, we find from <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> the end point value <disp-formula id="d23"><mml:math display="block"><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:math><label>(23)</label></disp-formula>and simple geometry shows that the scattering angle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> along this geodesic is <disp-formula id="d24"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo id="d24a1">=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d24a1">-</mml:mo><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(24)</label></disp-formula>Expressed in terms of the impact parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, using <xref ref-type="disp-formula" rid="d17">(17)</xref>, this becomes <disp-formula id="d25"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>6</mml:mn><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:mrow><mml:mo minsize="7ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>6</mml:mn><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo minsize="7ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(25)</label></disp-formula>Finally, using the subtraction and double-angle formulas for the tangent function, we conclude that <disp-formula id="d26"><mml:math display="block"><mml:mi>tan</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(26)</label></disp-formula>This is valid for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>6</mml:mn></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, and for larger impact parameters, there is no scattering. As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the scattering angle approaches 90°, the expected result for two vortices in a head-on collision <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>. Figure <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref> shows the scattering angle as a function of impact parameter, using this spherical cap approximation to the 2-vortex moduli space.</p><fig id="f1"><object-id>1</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.085006.f1</object-id><label>FIG. 1.</label><caption><p>The scattering angle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>tan</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> as functions of the impact parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>: the spherical cap approximation (blue), the flat cap approximation (orange), and the asymptotic approximation (green) <xref ref-type="bibr" rid="c10">[10]</xref>.</p></caption><graphic xlink:href="e085006_1.eps"/></fig></sec><sec id="s2b"><label>B.</label><title>Flat cap approximation</title><p>For our second, cruder approximation to the metric on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we attach a flat cap—a disk—to the top of a truncated flat cone, with the join at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. As before, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The total metric is <disp-formula id="d27"><mml:math display="block"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(27)</label></disp-formula>where <disp-formula id="d28"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="10ex" stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math><label>(28)</label></disp-formula>This matches the asymptotic, flat-cone metric for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the change of coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> converts the metric to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, a flat-disk metric. The missing part of the cone has area <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, whereas the disk has area <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The area deficit is again <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, as required.</p><p>In this approximation, a geodesic has straight segments on the cone joined to a straight segment on the flat cap. Intrinsically, the tangent to the geodesic is continuous, even though the complete surface has a delta-function curvature at the join. In the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane, the geodesic segment on the flat cap is <disp-formula id="d29"><mml:math display="block"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(29)</label></disp-formula>where the parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> is real and non-negative, and in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This segment, parallel to the imaginary axis, has the reflection symmetry that we imposed earlier.</p><p>In the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane, this geodesic segment becomes <disp-formula id="d30"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(30)</label></disp-formula>which is a rectangular hyperbola. Its closest approach to the origin is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mi>X</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. To find the relation between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the impact parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we again use the conservation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula>, leading to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, the analog of <xref ref-type="disp-formula" rid="d12">(12)</xref>, which implies that <disp-formula id="d31"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(31)</label></disp-formula>Therefore, <disp-formula id="d32"><mml:math display="block"><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(32)</label></disp-formula></p><p>The scattering angle of the vortices depends only on the change of direction in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane of the flat-cap geodesic segment between its end points, again given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. The differential of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d30">(30)</xref> for this segment implies that <disp-formula id="d33"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(33)</label></disp-formula>The end point (with positive imaginary part) in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane is where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, so <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, which converts to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Therefore, <disp-formula id="d34"><mml:math display="block"><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(34)</label></disp-formula>so the scattering angle is <disp-formula id="d35"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(35)</label></disp-formula>and from the double-angle formula, <disp-formula id="d36"><mml:math display="block"><mml:mi>tan</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>X</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(36)</label></disp-formula>As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the scattering angle as a function of impact parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the flat cap approximation is <disp-formula id="d37"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arctan</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mrow><mml:mi>so</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>tan</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(37)</label></disp-formula>both functions being shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref>. This is not such a good approximation for the scattering angle as that obtained using the spherical cap approximation. In particular, the scattering angle <xref ref-type="disp-formula" rid="d37">(37)</xref> has an unwanted square root singularity as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s2c"><label>C.</label><title>Approximations for the mode frequencies</title><p>The squared frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> of the lowest mode varies with the vortex separation. It monotonically increases from approximately <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5378</mml:mn></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.7747</mml:mn></mml:math></inline-formula> (the squared frequency of the 1-vortex radial shape mode) as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases from 0 to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>.<fn id="fn2"><label><sup>2</sup></label><p>More precise frequencies, together with numerical error estimates, are given in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref>. The continuum spectrum has frequencies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></fn> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be approximated by the rather simple function <disp-formula id="d38"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="10ex" stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(38)</label></disp-formula>which is continuous and has continuous first derivative. It can be expressed in terms of the coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> using the relation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>108</mml:mn></mml:msqrt><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The form of <xref ref-type="disp-formula" rid="d38">(38)</xref> is motivated by the facts that near the origin the squared frequency grows quadratically with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, i.e., quartically with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and that it approaches <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> exponentially with the vortex separation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a scale parameter, and a good fit is achieved with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Because <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> increases with the vortex separation, it will generate an attractive interaction.</p><p>The squared frequency of the second mode can be approximated as <disp-formula id="d39"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(39)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.9747</mml:mn></mml:math></inline-formula> is the degenerate frequency of the second and third modes at coincidence, i.e., at the apex of the moduli space, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.7747</mml:mn></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> depends linearly on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> near the apex and continues smoothly to negative <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> to give the frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> of the third mode. (In this context, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>.) Close to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the third mode hits the continuum threshold <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and disappears.</p></sec></sec><sec id="s3"><label>III.</label><title>MODEL FOR THE EXCITED, LOWEST-FREQUENCY MODE</title><sec id="s3a"><label>A.</label><title>Collective coordinate model</title><p>Here, we consider a collective coordinate model for 2-vortex dynamics with the lowest mode excited. For vortices approaching from a large separation, this mode represents an in-phase superposition of the radial shape modes on each vortex.</p><p>This model is quite simple. Over the 2-vortex moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> with metric <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, we assume there is defined a harmonic oscillator with normal coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> and position-dependent frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The following Lagrangian couples the excited oscillator to motion through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d40"><mml:math display="block"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(40)</label></disp-formula>There are no cross-terms in the kinetic energy because the moduli space directions are zero modes of the 2-vortex fields, whereas the oscillator direction is a positive-frequency shape mode, and these modes are orthogonal.</p><p>The equations of motion derived from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> are <disp-formula id="d41"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(41)</label></disp-formula><disp-formula id="d42"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(42)</label></disp-formula><disp-formula id="d43"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(43)</label></disp-formula>Equations <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d42">(42)</xref> can be expanded out, giving <disp-formula id="d44"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(44)</label></disp-formula><disp-formula id="d45"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(45)</label></disp-formula>Here, the coefficients of the quadratic terms in velocity (divided by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>) encode the Levi-Civita connection on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s3b"><label>B.</label><title>Numerical results</title><p>For the numerical analysis of this model, we use the spherical cap approximation to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, i.e., to the geometry of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the approximation <xref ref-type="disp-formula" rid="d38">(38)</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Both have rotational symmetry. For simplicity, we restrict ourselves to head-on collisions. Thus, it is consistent to put <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> identically in <xref ref-type="disp-formula" rid="d44">(44)</xref> and identify positive <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> with motion of the vortex pair along the horizontal axis while negative <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> corresponds to motion along the vertical axis. Each passage through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> corresponds to 90° scattering, and we call this a bounce. For this restricted motion, <disp-formula id="d46"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(46)</label></disp-formula><disp-formula id="d47"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(47)</label></disp-formula></p><p>We assume that at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> the vortices are well separated along the horizontal axis and approaching each other. In our numerics, we assumed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, corresponding to an initial vortex separation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Because the mode-mediated force between the vortices is always attractive, there is at least one collision, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> at least once. The lowest mode is excited with initial amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is then varied. One should remember that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is not the initial velocity of vortices in the physical plane, although the difference is rather small. The relation between the variables <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> gives <disp-formula id="d48"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>phys</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>27</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(48)</label></disp-formula></p><p>Our main result is that we find a <italic>chaotic structure</italic> in the scattering as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> increases. The usual 90° scattering (one bounce) arising from the geodesic approximation is, in a rather chaotic way, replaced by multibounce windows, where colliding vortices form a quasibound state performing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> bounces—each being a 90° scattering. For sufficiently large amplitude, the interchanging sequence of one bounce and multibounce windows starts from arbitrary small initial velocity and ends when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> exceeds a critical velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>cr</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we find that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>cr</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.0988</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>cr</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we observe only single bounces; see Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref>, upper left. The figure shows the number of bounces (from 1 to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:math></inline-formula>) for initial velocities in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f2"><object-id>2</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.085006.f2</object-id><label>FIG. 2.</label><caption><p>Number of bounces <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> as a function of initial velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:math></inline-formula> denotes 10 or more bounces. Upper left: multibounces immersed in one bounce windows, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Upper right: multibounces immersed in two-bounce windows, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.0862</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.088</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Bottom left: multibounces immersed in three-bounce window, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.0870892</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.0871576</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Bottom right: multibounces immersed in four-bounce window, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.087122032</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.0871248364</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e085006_2.eps"/></fig><p>This chaotic structure has an approximately self-similar pattern. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref>, upper right, we show the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> bounces immersed among two-bounce scatterings, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.0862</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.088</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. This structure repeats. The lower panels of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref> show <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> bounces immersed among three-bounce scatterings, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.0870892</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.0871576</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula> bounces immersed among four-bounce scatterings, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.087122032</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.0871248364</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>, left, we show examples of 1-, 2-, 3- and four-bounce solutions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.086</mml:mn></mml:math></inline-formula>, 0.087, 0.08757 and 0.087571687055, respectively. Clearly, a tiny change in the initial conditions can lead to a dramatic change in the scattering. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>, right, we plot the time evolution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> of the mode amplitude for this four-bounce solution. The maximum amplitude is almost constant but briefly grows during the collisions.</p><fig id="f3"><object-id>3</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.085006.f3</object-id><label>FIG. 3.</label><caption><p>Left: examples of trajectories <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> of the 2-vortex modulus: one-bounce, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.086</mml:mn></mml:math></inline-formula>; one-bounce, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.087</mml:mn></mml:math></inline-formula>; three-bounce, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.08757</mml:mn></mml:math></inline-formula>; and four-bounce, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.087571687055</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Right: evolution of the mode amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> for the four-bounce solution.</p></caption><graphic xlink:href="e085006_3.eps"/></fig><p>In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>, we show how the structure of bounces changes if we vary the initial mode amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> but fix the initial velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For example, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the first multibounce occurs when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.504</mml:mn></mml:math></inline-formula>, whereas for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.15</mml:mn></mml:math></inline-formula>, it occurs when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.826</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For sufficiently small values of the amplitude, there is always a regime with one bounce, i.e., a single 90° scattering. In this <italic>quasigeodesic</italic> regime, the geodesic dynamics is only softly modified by the mode excitation, making the vortex-vortex collision faster; see Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>, where we plot the time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> at which the trajectory reaches <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, starting from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> decreases as the initial amplitude of the mode grows, a consequence of the attractive force triggered by the nonzero mode amplitude. However, above a critical value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the chaotic multibounce behavior starts. At this point, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> jumps, and the geodesic approximation breaks down completely. Not surprisingly, the quasigeodesic regime is larger if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is larger. In the next subsection, we will analyze this regime from an adiabatic point of view.</p><fig id="f4"><object-id>4</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.085006.f4</object-id><label>FIG. 4.</label><caption><p>Number of bounces as a function of initial amplitude of the mode in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Left: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.005</mml:mn></mml:math></inline-formula>; right: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.015</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e085006_4.eps"/></fig><fig id="f5"><object-id>5</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.085006.f5</object-id><label>FIG. 5.</label><caption><p>Collision time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> as a function of the initial amplitude of the mode <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the time for the trajectory to reach <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, starting from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Left: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.010</mml:mn></mml:math></inline-formula>; right: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.015</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e085006_5.eps"/></fig><p>We remark that, although the positions of the one-bounce and multibounce collisions are quite sensitive to details of our collective model, that is, to changes of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the chaotic multibounce structure is robust. Therefore, we expect that vortex scattering in the full field theory with the lowest mode excited will exhibit the same features. In fact, results from numerical simulations of the field theory confirm the validity of our collective model <xref ref-type="bibr" rid="c11">[11]</xref>.</p><p>All these results resemble what is observed in kink-antikink scattering in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> theory in (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) dimensions. There also, there is a chaotic sequence of multibounce windows and annihilation regions called bion chimneys <xref ref-type="bibr" rid="c7 c8">[7,8]</xref>, with a strong dependence on the initial relative velocity of the kinks and on the initial shape mode amplitude. In particular, the accumulation of 2-vortex multibounces as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> tends to 0 (for fixed initial mode amplitude) possesses its counterpart in scatterings between a wobbling kink and antikink <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>. Such a chaotic pattern is explained in terms of a resonant energy transfer mechanism between the kink kinetic energy and shape mode energy <xref ref-type="bibr" rid="c7 c8">[7,8]</xref>, and it has recently been established that a collective model with two degrees of freedom explains the observed dynamics well <xref ref-type="bibr" rid="c9">[9]</xref>. The main difference from vortices is that the chaotic behavior in kink-antikink collisions occurs even without an initial excitation of the shape mode because there is automatically an attractive force between kink and antikink. For the BPS 2-vortices, an excitation of the lowest shape mode is needed to generate an attraction.</p></sec><sec id="s3c"><label>C.</label><title>Adiabatic approximation</title><p>We now treat the oscillator as a fast variable and the motion through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> as slow. It is also important that the mode amplitude is relatively small. More precisely, we assume that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, together with their <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> derivatives, are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> small. We wish <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> to be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and see from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d44">(44)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d45">(45)</xref> that the oscillator amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> needs to be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. With these assumptions, the solution of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d43">(43)</xref> for the oscillator, in the adiabatic approximation, takes the form <disp-formula id="d49"><mml:math display="block"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(49)</label></disp-formula>where we have chosen the time origin to coincide with an instantaneous maximal amplitude of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The integral is along a path through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> that is still to be determined using the equations for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is also yet to be determined but only depends on the position in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> at time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> and not on the path through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Clearly, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> needs to be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>Differentiating <xref ref-type="disp-formula" rid="d49">(49)</xref> twice with respect to time, we find that <disp-formula id="d50"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo id="d50a1">=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d50a1">-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(50)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the total time derivative of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> along the path. The first term on the right-hand side is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and can be neglected relative to the remaining terms, which are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d43">(43)</xref> for the oscillator is therefore satisfied, provided that <disp-formula id="d51"><mml:math display="block"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(51)</label></disp-formula>The solution is <disp-formula id="d52"><mml:math display="block"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math><label>(52)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> a constant, so <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is indeed like <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, being just a function of the instantaneous position <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the adiabatic invariant of the oscillator, remaining constant despite the oscillator having a varying frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> along the path in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For consistency, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>We now derive the reduced, adiabatic equations of motion for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, using the approximate solution for the oscillator <disp-formula id="d53"><mml:math display="block"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="1ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(53)</label></disp-formula>We need to take the time average of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> over one period of the oscillator, to derive the average force that acts. This is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. The reduced equations are therefore Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d44">(44)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d45">(45)</xref> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> replaced by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. It is more convenient to give the reduced Lagrangian, from which these equations follow, namely, <disp-formula id="d54"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>red</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(54)</label></disp-formula>The constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> is determined by the oscillator’s initial conditions, and implicitly, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> are all <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>In summary, the oscillator dynamics generates a potential energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> that, together with the conformal factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, governs adiabatic motion through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This motion has the conserved energy <disp-formula id="d55"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>red</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(55)</label></disp-formula>which matches the conserved energy for the original Lagrangian <xref ref-type="disp-formula" rid="d40">(40)</xref> if we use the time-averaged oscillator energy. The latter is <disp-formula id="d56"><mml:math display="block"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>osc</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(56)</label></disp-formula>where we have ignored the contribution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> relative to that of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Note that the adiabatic invariant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>osc</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>The discussion so far has needed to assume no symmetry property for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. However, in the context of the 2-vortex moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> (the rounded cone), both the frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> of the lowest shape mode and the metric conformal factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> rotational symmetry. It is therefore convenient to use the polar coordinates <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the radial functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the apex of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where the vortices are coincident, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> extends to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> as the vortices separate. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are positive and have zero derivative at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The angle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> has the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>The Lagrangian <xref ref-type="disp-formula" rid="d40">(40)</xref> for the shape mode dynamics coupled to the moduli space motion simplifies as a result of the rotational symmetry, and in particular, the reduced Lagrangian <xref ref-type="disp-formula" rid="d54">(54)</xref> simplifies to <disp-formula id="d57"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>red</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(57)</label></disp-formula>There are two constants of motion for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>red</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the energy and angular momentum, <disp-formula id="d58"><mml:math display="block"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(58)</label></disp-formula><disp-formula id="d59"><mml:math display="block"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(59)</label></disp-formula>After eliminating <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> from the energy in favor of the angular momentum, the radial motion can be found by quadrature, provided we know both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and all the initial data, including that for the oscillator.</p><p>As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is an increasing function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the potential is attractive, but the effective potential in the reduced dynamics, <disp-formula id="d60"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>red</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(60)</label></disp-formula>includes a centrifugal term, so it can be can be attractive or repulsive. There can therefore be both bounded and scattering solutions for the adiabatic 2-vortex dynamics when the lowest shape mode is excited. This contrasts with the dynamics in the absence of shape mode oscillations, where the motion on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> follows geodesics, and consists purely of scattering trajectories <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>. The existence of bound orbits depends on the ratio between the adiabatic invariant and the angular momentum, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>The simplest motion, using this adiabatic approximation, is a head-on collision, with the vortices approaching from a large separation at some finite velocity. The timing for this is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>.</p></sec></sec><sec id="s4"><label>IV.</label><title>MODEL FOR HIGHER-FREQUENCY SHAPE MODES</title><sec id="s4a"><label>A.</label><title>Collective coordinate model</title><p>Recall that the higher-frequency shape modes (the second and third modes) become degenerate at the apex of the moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> and that the third mode enters the continuum close to the apex. A model for the higher-frequency modes needs to allow for their interaction, as their frequencies are close together, but it needs to be constructed only in the inner region of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, around the apex. Here, we can approximate the geometry of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> by a flat cap (the spherical cap approximation would be a refinement), and the mode frequencies can be approximated as having a linear dependence on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the suitably normalized complex coordinate centered at the apex of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>The coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a parametrization for the 2-vortex gauge and Higgs fields over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>; similarly, the vector space of higher-frequency shape modes and their amplitudes, involving deformations of the gauge and Higgs fields and a background gauge condition, can be parametrized by an abstract pair of amplitudes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. These are initially complex, but we will impose a reality condition below. There is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> rotational symmetry about <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and the modes transform at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> as a doublet of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>The potential energy for the modes is constructed using the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> Hermitian matrix <disp-formula id="d61"><mml:math display="block"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(61)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> are real and positive constants; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the degenerate eigenvalue of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The eigenvalues of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> split for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, becoming <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The complete Lagrangian of the model, with standard kinetic terms and a quadratic potential obtained using <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is <disp-formula id="d62"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo id="d62a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d62a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(62)</label></disp-formula><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the (undiagonalized) amplitudes of the modes whose frequencies are controlled by the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dependent matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Before looking at the equations of motion, it helps to say more about the eigenvectors of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>A generic <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> Hermitian matrix is of the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the Pauli matrices. This has eigenvalues <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>, so the eigenvalues are degenerate only when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Generally, in a family of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> Hermitian matrices, the eigenvalues degenerate on a submanifold of real codimension 3 in the parameter space. But for our problem, we have only two real moduli, and degeneracy still occurs. The reason is that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a family of Hermitian matrices with a “real” structure. If <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> were zero, then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> would be manifestly real, and we could seek real eigenvectors. Degeneracy would then occur when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, a codimension-2 condition. It is more convenient in our model to set <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, as this simplifies the eigenvectors, but there is still a real structure, and eigenvalue degeneracy occurs at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, a single point in the two-dimensional moduli space. The real structure occurs because for the vortices in the Abelian Higgs model the shape mode eigenfunctions are derived from eigenfunctions of a scalar Schrödinger operator with a real potential <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref>.</p><p>More concretely, the model Lagrangian <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref> is invariant under <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and we can impose the “reality” condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This gives a consistent truncation of the equations of motion. Moreover, it is consistent to impose this condition on the Lagrangian. We therefore restart from the Lagrangian <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> replaced by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> replaced by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>), <disp-formula id="d63"><mml:math display="block"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(63)</label></disp-formula>The equations of motion now simplify to <disp-formula id="d64"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(64)</label></disp-formula><disp-formula id="d65"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(65)</label></disp-formula>and there is a conserved energy <disp-formula id="d66"><mml:math display="block"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(66)</label></disp-formula>Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d64">(64)</xref> implies that the mode oscillations affect the moduli space motion, and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d65">(65)</xref> implies that the mode oscillation frequencies at each instant depend on the location <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> in moduli space. These coupled equations can probably not be solved analytically but only numerically.</p></sec><sec id="s4b"><label>B.</label><title>Adiabatic approximation</title><p>However, we can treat the dynamics adiabatically, assuming that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> varies on a timescale much longer than the inverse of the oscillation frequencies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. This is just a little more sophisticated than the adiabatic treatment of the lowest-frequency oscillation mode, in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3">III</xref>. The scaling that makes an adiabatic analysis possible is to suppose that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> remaining bounded away from zero, and that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> small. This requires the mode amplitudes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> to be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, i.e., small, but their oscillation frequencies are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>To proceed, we need a basis of eigenvectors of the matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> appearing in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref>. The eigenvectors/eigenvalues are given by <disp-formula id="d67"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(67)</label></disp-formula>so the eigenvalues are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with respective eigenvectors <disp-formula id="d68"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(68)</label></disp-formula>of squared norm 2. However, these eigenvectors do not satisfy the reality condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> until we multiply by a suitable phase factor (which does not affect their orthonormality). The real eigenvectors are <disp-formula id="d69"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(69)</label></disp-formula>where the phases are fixed, but there remains an ambiguity in sign. Note that when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the sign of each of these eigenvectors reverses. For a given <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the eigenspaces are therefore Möbius bundles over the circle parametrized by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In fact, these bundles extend to the entire punctured plane <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><p>It is significant that these Möbius bundles join up smoothly at the origin, where the eigenvalues degenerate. There is continuity of the eigenvectors and eigenvalues along any line in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane that passes through the origin. Consider, for example, the line <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> running from a positive to a negative value. There is a constant eigenvector <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> along this line with eigenvalue <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and another constant eigenvector <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> with eigenvalue <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. To check this, one has to identify a point with negative <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> as having <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Along this line, the lower eigenvalue runs smoothly into the upper eigenvalue and vice versa. Such eigenvalue crossing naturally occurs because the eigenvalue spectrum exhibits a conical structure over a neighborhood of the origin.</p><p>We next express the dynamical mode amplitudes in terms of the eigenvectors as <disp-formula id="d70"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(70)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> are real. (An arbitrary initial sign choice for the eigenvectors is made.) The time derivative is <disp-formula id="d71"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(71)</label></disp-formula>The eigenvectors have the simple <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> derivatives <disp-formula id="d72"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(72)</label></disp-formula>so <disp-formula id="d73"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(73)</label></disp-formula>The Lagrangian <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref> therefore takes the form, in terms of the real amplitudes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d74"><mml:math display="block"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo id="d74a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d74a1">-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(74)</label></disp-formula>and the corresponding equations of motion are <disp-formula id="d75"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(75)</label></disp-formula><disp-formula id="d76"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(76)</label></disp-formula><disp-formula id="d77"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:math><label>(77)</label></disp-formula><disp-formula id="d78"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:math><label>(78)</label></disp-formula>Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d76">(76)</xref>, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, has been integrated once, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℓ</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the conserved angular momentum.</p><p>The equations so far are all exact for the model Lagrangian <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref>, but now we make the adiabatic approximation. We assume that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is small. For Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d75">(75)</xref> to be consistent, the oscillator amplitudes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> need to be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> or smaller. The following discussion is rather schematic, as the detailed formulas are not very illuminating.</p><p>The basic solution of Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d75">(75)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d76">(76)</xref>, ignoring the oscillator contribution, is a straight-line motion. Let us orient this line so that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Cartesians, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a positive <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> constant and the velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Then, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula>, so <disp-formula id="d79"><mml:math display="block"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(79)</label></disp-formula>The straight line needs to miss the origin for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> to remain bounded. (We shall consider a head-on collision below, using the Cartesian coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>.) Using the slowly time-dependent <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in the oscillator equations <xref ref-type="disp-formula" rid="d77">(77)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d78">(78)</xref> and ignoring all the subleading terms that depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, we deduce that the adiabatic solutions for the oscillator amplitudes are <disp-formula id="d80"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d80a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d80a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(80)</label></disp-formula>The constants <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>, together with the phases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>, are adiabatic invariants that depend on the initial data.</p><p>We can now deduce the modification, due to the mode oscillations, of the straight-line motion. In Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d75">(75)</xref>, we substitute the time-averaged values <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. This results in a modified radial acceleration that can be attributed to a radial potential, <disp-formula id="d81"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>rad</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>const</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(81)</label></disp-formula>This potential is repulsive for the second (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>) oscillator, as its frequency increases approaching <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and attractive for the third oscillator. In Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d75">(75)</xref>, the term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> is oscillatory and has zero average, so we ignore it. However, the time-averaged value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, and from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d76">(76)</xref>, we can find the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> modification to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> due to the mode oscillations.</p><p>The analysis has not yet led to any mixing of the oscillation modes. Mixing occurs if we retain the leading mode-coupling terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="d77">(77)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d78">(78)</xref>, giving <disp-formula id="d82"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(82)</label></disp-formula><disp-formula id="d83"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(83)</label></disp-formula>Using the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> solutions for the oscillator amplitudes and for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> on the right-hand side, the particular integrals give <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> corrections to the previously determined <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> homogeneous solutions. In this calculation, it is sufficient to regard the oscillator frequencies as unvarying. There is no resonance because the frequency of each oscillator differs from the frequency of its forcing term by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and we are assuming <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> remains <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>A special case is if the second mode (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>) is initially excited but the third mode is not. This can occur if the vortices approach from a large separation, where the third mode has disappeared into the continuum. The analysis above goes through, and the third mode essentially does not contribute. There is a small excitation of the third mode due to the forcing by the second mode if the collision is not head on, but the amplitude generated is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>However, the third mode is much more strongly excited in a head-on collision, and this is the most interesting case. Let us suppose the initial motion is along the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis (the horizontal axis) in the moduli space, approaching from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and that the second mode is excited. By symmetry, the motion remains on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis and can pass through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, leading to 90° scattering of the vortices, although the repulsive potential generated adiabatically by the mode oscillation may prevent this. Now, recall that because of the conical structure of the oscillator spectrum it is purely the third mode that becomes excited if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> becomes negative. The frequency of the excited oscillator, for either sign of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is the smoothly varying function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, provided <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> is not large, rather than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>).</p><p>The relevant equations of motion along the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis are <disp-formula id="d84"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(84)</label></disp-formula><disp-formula id="d85"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(85)</label></disp-formula>obtained from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d64">(64)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d65">(65)</xref> by setting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> are real. For this reduced system, there is a conserved energy, <disp-formula id="d86"><mml:math display="block"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(86)</label></disp-formula>Again, this is a consistent truncation, and an adiabatic treatment is feasible if we assume the previous scaling with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> oscillates with the slowly varying frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. The adiabatic solution of <xref ref-type="disp-formula" rid="d85">(85)</xref> is then <disp-formula id="d87"><mml:math display="block"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(87)</label></disp-formula>where the constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. After time averaging the oscillatory driving force <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d84">(84)</xref> becomes <disp-formula id="d88"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>α</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(88)</label></disp-formula>with first integral <disp-formula id="d89"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(89)</label></disp-formula>The constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be identified with the total conserved energy. This is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and has comparable contributions from the motion in moduli space and from the oscillating mode. The oscillating mode contributes an effective potential proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> to the moduli space dynamics, modifying what would otherwise be geodesic dynamics with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> constant. Recall that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the degenerate value of the oscillator frequency at vortex coincidence.</p><p>Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d89">(89)</xref> can be integrated once more to give <disp-formula id="d90"><mml:math display="block"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(90)</label></disp-formula>The integral here is elementary. In terms of the spatial variable <disp-formula id="d91"><mml:math display="block"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>E</mml:mi></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(91)</label></disp-formula>we find the implicit solution <disp-formula id="d92"><mml:math display="block"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>E</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(92)</label></disp-formula>The solution runs between the stationary points of the cubic <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, i.e., between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Over a finite time interval, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> decreases from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, climbs the potential and stops at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, then increases back to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The stopping point is where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, i.e., where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. The motion may or may not pass through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, depending on the energy.</p><p>In practice, this model is only valid for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> near zero because it ignores the third mode entering the continuum. Also, the squared frequency is only approximately linear in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The calculated dependence of both squared frequencies on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> is shown in Fig. 1 of Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref>. This shows the crossover of the mode frequencies at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><p>In summary, to model a 2-vortex collision with the second shape mode excited, in the adiabatic approximation, one should ignore the third shape mode entirely until the separation reduces to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, then for smaller <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> use the model above, where the two upper modes are coupled. If the collision is considerably away from head on, then the third mode will be only slightly excited; the vortices will scatter; and when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> becomes larger than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the third mode can again be ignored. Excitation of the second mode generates a repulsive potential, which increases the scattering angle relative to that for purely geodesic motion. On the other hand, in a head-on collision, the second mode converts entirely into the third mode if the vortices reach coincidence at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. If they do, and scatter through 90°, then the oscillations of the third mode can hit the spectral wall where that mode enters the continuum, and it is not clear what happens next; the simplified models we have proposed will break down, and a full field-theory simulation of the 2-vortex collision is probably necessary. Finally, in a collision that is near to, but not exactly, head on, it is necessary to solve the equations for the coupled second and third modes numerically, as the coupling becomes strong when the frequencies become close to degenerate. We have not investigated this.</p></sec><sec id="s4c"><label>C.</label><title>Numerical results</title><p>As we observed in the previous subsection, during a head-on collision of two vortices, the second and third modes interchange, but only the second mode (the out-of-phase superposition of the radial mode on each vortex) can be excited if the vortices are initially well separated. Our model for vortex dynamics with the second and third modes excited can be extended to the regime of well-separated vortices. There, it has a form very similar to the lowest-mode case, <disp-formula id="d93"><mml:math display="block"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(93)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> is now the amplitude of the second mode and the squared frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is a monotonically decreasing function of the vortex separation parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, approximately given by the expression <xref ref-type="disp-formula" rid="d39">(39)</xref>.</p><p>For head-on collisions, we can consistently put <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Then, the Lagrangian <xref ref-type="disp-formula" rid="d93">(93)</xref> reduces to <disp-formula id="d94"><mml:math display="block"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(94)</label></disp-formula>with <disp-formula id="d95"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>108</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(95)</label></disp-formula>Because <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> increases as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> decreases from a positive value and becomes negative, the intervortex force is always toward positive <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Therefore, one can say that the mode generated force changes its sign depending if the vortices are before or after the first collision, i.e., the point where they are on top of each other. Initially repulsive force becomes attractive. After the second collision, the force once again changes into a repulsive force. This has the following dynamical consequences for vortices approaching from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>. If the initial amplitude of the second mode is sufficiently large, the vortices scatter back before coalescing; i.e., they do not reach <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. With a smaller amplitude, they may pass through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and reach a negative <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> before scattering back; i.e., the vortices scatter from the horizontal to the vertical axis, stop, and return to the horizontal axis. This is a two-bounce solution. These possibilities are plotted in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f6">6</xref>, in which <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.015</mml:mn></mml:math></inline-formula>. If the amplitude is smaller still, the vortices separate sufficiently along the vertical axis that the third mode enters the continuum spectrum, and the so-called spectral wall phenomenon can be expected to occur <xref ref-type="bibr" rid="c13">[13]</xref>. This possibility is not taken into account in our collective coordinate model.</p><fig id="f6"><object-id>6</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.085006.f6</object-id><label>FIG. 6.</label><caption><p>Left: trajectories of the vortex position <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> for the model with the second mode excited, for various values of the initial mode amplitude, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.015</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Right: evolution of the mode amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> for the motion with the initial amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.14</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e085006_6.eps"/></fig><p>To conclude, from this adiabatic modeling, we expect to observe at most two-bounce scatterings of vortices in the full field theory dynamics when the second mode is initially excited, and we do not expect any chaotic multibounce pattern.</p></sec></sec><sec id="s5"><label>V.</label><title>CONCLUSION</title><p>For the last 40 years, it has been believed that scattering of BPS vortices is completely governed by geodesic flow on the pertinent moduli space. As an effect, the famous <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> scattering in head-on collision has been found. In our paper, we found arguments that this is a highly simplified picture, valid only if vibrational modes hosted on the vortices are not excited too much.</p><p>Specifically, to get some semianalytical understanding, we proposed collective coordinate models for the dynamics of BPS 2-vortex solutions excited by their shape modes. The models generalize the standard geodesic flow on the 2-vortex moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> by including the shape mode amplitudes as additional collective coordinates. Importantly, in contrast to the force-free geodesic dynamics of unexcited BPS vortices, excitation of the shape modes introduces intervortex forces whose sign depends on how the relevant mode’s frequency varies over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This can significantly change the dynamics, leading to a complete breakdown of the original geodesic flow.</p><p>The most striking result is the appearance of a chaotic, probably self-similar, fractal-like pattern of multibounce windows in vortex-vortex collisions if the lowest shape mode is excited. This is explained in terms of the well-known resonant energy transfer mechanism. During collisions, the kinetic energy of vortex motion may be temporary transferred into shape mode energy. The vortices may then be unable to overcome the attractive interaction triggered by the mode excitation and instead collide once again. This process repeats until the kinetic energy is again sufficiently large for the vortices to separate. A similar mechanism is very well understood in kink-antikink collisions in (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) dimensions, but here, for the first time, we have shown that it can also influence the dynamics of higher-dimensional solitons.</p><p>In particular, we have found that an even number of collisions (bounces) changes the famous 90° scattering of vortices into 180° backward scattering. Backward scattering can also occur if the higher-frequency (second) mode is excited because in this case the excitation triggers a repulsive force between the vortices. Additionally, due to level crossing, this force becomes attractive after the vortices pass through the circularly symmetric configuration in a head-on collision (one bounce), which makes a second bounce more likely, resulting in backward scattering. No further bounces are possible in this channel.</p><p>Importantly, all our predictions, based on the collective coordinate approach, completely agree with numerical simulations of excited 2-vortex scattering in the full field theory <xref ref-type="bibr" rid="c11">[11]</xref>. In fact, our construction qualitatively explains all phenomena observed in such scatterings. These are the existence of chaotic multibounce scatterings, if the lowest mode is excited, and appearance of maximally two-bounce scatterings in the case in which the higher mode is excited <xref ref-type="bibr" rid="c11">[11]</xref>. Observed variety of distinct types of the behavior of the excited vortices in the scattering processes has its origin in the flow of the spectral structure on the original moduli space of two BPS vortices.</p><p>Of course, to get quantitative agreement, one has to further refine the collective coordinate models. This is because the models make several simplifications which for a chaotic system may not be negligible. For example, we used simplified, analytical expressions for both the metric function and the dependence of the frequencies on the vortex separation. Also, we did not take into account a possible modification of the moduli space metric due to the amplitudes of the modes, even though it is known that vibrational (massive) degrees of freedom can affect the metric of kinetic, zero modes, see, e.g., the description of a single, vibrating kink <xref ref-type="bibr" rid="c9">[9]</xref>. Such a metric modification is obviously a subleading effect in comparison with the appearance of an intervortex force, but nonetheless, it can affect the locations of bounce windows. Also, inclusion of nonquadratic terms in the effective potential may slightly change the dynamics.</p><p>Looking from a wider perspective, it is fascinating that effects previously associated only with one-dimensional kinks find their counterparts in the dynamics of higher-dimensional solitons.</p></sec></body><back><ack><title>ACKNOWLEDGMENTS</title><p>We acknowledge Morgan Rees for informing us of results concerning the scattering of excited vortices prior to publication. This research was supported by the Spanish MCIN with funding from European Union NextGenerationEU (Grant No. PRTRC17.I1) and Consejeria de Educacion from JCyL through the QCAYLE project, as well as MCIN Project No. PID2020–113406GB-I0. This research has made use of the high-performance computing resources of the Castilla y León Supercomputing Center (SCAYLE), financed by the European Regional Development Fund (ERDF). N. S. M. is partially supported by UK STFC consolidated Grant No. ST/T000694/1. A. W. was supported by the Polish National Science Centre, Grant No. NCN 2019/35/B/ST2/00059.</p></ack><app-group><app id="app1"><label>APPENDIX:</label><title>FIELD THEORY DERIVATION OF THE EFFECTIVE MODELS</title><p>In this Appendix, we sketch the derivation of the two effective models, identified in the main sections of this paper, governing the dynamics of BPS 2-vortices when shapes modes are excited. The Abelian Higgs field theory action is <xref ref-type="bibr" rid="c14">[14]</xref> <disp-formula id="da1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo id="da1a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da1a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A1)</label></disp-formula>such that the kinetic and potential energy of the system in the temporal gauge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> are, respectively, <disp-formula id="da2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo id="da2a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da2a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A2)</label></disp-formula>It is well known that BPS 2-vortex solutions satisfy the first-order equations <disp-formula id="da3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math><label>(A3)</label></disp-formula>and describe configurations where two unit magnetic flux vortices have an arbitrary separation. In the center-of-mass frame, the 2-vortex solution is denoted as <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref> <disp-formula id="da4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A4)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are the spatial coordinates of a general point in the spacetime. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>±</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> specify the locations of the constituent vortices (zeros of the scalar field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) and play the role of real coordinates on the centered 2-vortex moduli space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. They can be combined into the complex coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> introduced in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>, although as we have seen it is more convenient to work with a complex coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, that is, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Then, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Note that the angle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> varies only in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> because adding <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> moves the unit vortex at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and vice versa, but these two configurations are identical. On the other hand, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> has the normal angular range. In terms of the real moduli space coordinates <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the 2-vortex configurations <xref ref-type="disp-formula" rid="da4">(A4)</xref> can be assembled as the column vector <disp-formula id="da5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="da5a1">=</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(A5)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the real and imaginary parts of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p><sec id="app1-s1"><label>1.</label><title>Collective coordinate model for 2-vortex dynamics with the lowest-frequency shape mode excited</title><p>The configuration for moving vortices with the lowest-frequency shape mode excited is written as <disp-formula id="da6"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo id="da6a1">=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da6a1">+</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A6)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> denotes the lowest (normalized) shape mode of the second-order fluctuation operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="da7"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A7)</label></disp-formula>and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the real shape mode amplitude. Note that the frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> depends on the point in the moduli space where the spectral problem is studied, but because of rotational symmetry, it only depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. The flow over the moduli space of both the eigenfunction <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the eigenvalue <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> has been numerically described in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the collective coordinates, whose effective dynamics is implemented by assuming that the temporal dependence of the fields in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> is only through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Under this hypothesis, the effective dynamical system is constructed as follows. Neglecting contributions of the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the effective kinetic energy reads <disp-formula id="da8"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A8)</label></disp-formula>where the metric factors are <disp-formula id="da9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="da9a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da9a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A9)</label></disp-formula>These integrals define the conformal factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> of the Samols metric <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>. We finally obtain <disp-formula id="da10"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A10)</label></disp-formula>The contribution to the Lagrangian which does not depend on time derivatives is evaluated up to second order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> and is <disp-formula id="da11"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A11)</label></disp-formula>Using <xref ref-type="disp-formula" rid="da7">(A7)</xref> and taking into account the rotational symmetry, we find the effective potential over the moduli space, <disp-formula id="da12"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A12)</label></disp-formula>Because <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> has its minimum value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> at the origin and increases to a finite value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> at infinity, attractive forces arise between the vortices when the lowest shape mode is excited. Moreover, this potential is proportional to the squared amplitude of the mode, opening the door to the transfer of energy from the mode into the kinetic energy of vortices moving through the moduli space. Thus, the effective Lagrangian <disp-formula id="da13"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:math><label>(A13)</label></disp-formula>the starting point of Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3">III</xref>, is obtained from the field theory as an effective collective coordinate model. We stress finally that incorporating the effect of the shape mode up to second order generalizes to the quantized theory as a one-loop/semiclassical correction to moduli space dynamics.</p></sec><sec id="app1-s2"><label>2.</label><title>Collective coordinate model for 2-vortex dynamics with the two higher-frequency shape modes excited</title><p>Consider the configuration <disp-formula id="da14"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo id="da14a1">=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da14a1">+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da14a1">+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A14)</label></disp-formula>which describes a dynamical 2-vortex excited by the shape modes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> having the higher frequencies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively, and amplitudes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. These modes are mutually orthogonal eigenfunctions of the second-order fluctuation operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:math></inline-formula>, see Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref>, <disp-formula id="da15"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A15)</label></disp-formula>The spectral flow of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is summarized as follows: <list list-type="roman-lower"><list-item><label>(i)</label><p>The frequencies are rotationally symmetric over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> and only depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(ii)</label><p>At the apex of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the two frequencies degenerate: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(iii)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> decreases linearly with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> near <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and approaches the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(iv)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> increases linearly with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> near <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, reaching 1 at the boundary of a disk in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> where the mode <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> disappears into the continuum.</p></list-item></list>Arguing exactly as in the previous derivation of the effective model for the lower-frequency shape mode, we envisage the following effective Lagrangian for the upper-frequency modes: <disp-formula id="da16"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo id="da16a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da16a1">-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A16)</label></disp-formula></p><p>Investigation of the effective dynamics including the higher-frequency modes is particularly worthwhile inside the disk where both modes are present. Here, one can approximate any BPS 2-vortex solution by adding a zero mode of suitable amplitude to the circularly-symmetric, coincident 2-vortex solution. This produces a splitting of the double zero of the Higgs field into two single zeros with a small separation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The collective coordinate procedure prescribes that the motion through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is only due to the time dependence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. If the shape modes of frequencies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> are also excited, we are led to study the effective dynamics of the configurations <disp-formula id="da17"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo id="da17a1">=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="1ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da17a1">+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da17a1">+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A17)</label></disp-formula><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> are, respectively, the amplitudes of the zero mode and these two shape modes, the new collective coordinates. Plugging the expression <xref ref-type="disp-formula" rid="da17">(A17)</xref> into the second-order action, we obtain <disp-formula id="da18"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo id="da18a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da18a1">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A18)</label></disp-formula>where the orthogonality of the eigenfunctions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:math></inline-formula> has been employed. We can assume that the shape modes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> are normalized, but we shall use the non-normalized zero mode <disp-formula id="da19"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(A19)</label></disp-formula>described in Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c4 c5">[4,5]</xref>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> here denote spatial polar coordinates, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This choice of the zero mode involves the splitting of the vortex zeros in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> direction (vertical direction) away from the apex of the moduli space, such that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> determines the intervortex distance. The expression <xref ref-type="disp-formula" rid="da19">(A19)</xref> allows us to find a relation between the amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the zero mode <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> as<fn id="fn3"><label><sup>3</sup></label><p>The relevant modes are those with label (2, 0) in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c4">[4]</xref>.</p></fn> <disp-formula id="da20"><mml:math display="block"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>k</mml:mi></mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A20)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0.236146</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0.277308</mml:mn></mml:math></inline-formula>. These values come from the local behavior of the coincident 2-vortex Higgs field profile <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and of the zero mode <xref ref-type="disp-formula" rid="da19">(A19)</xref> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Additionally, <disp-formula id="da21"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A21)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0.97303</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0.025873</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Working with the expressions <xref ref-type="disp-formula" rid="da20">(A20)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="da21">(A21)</xref>, the action becomes <disp-formula id="da22"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo id="da22a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mo>{</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da22a1">-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>}</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(A22)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>62.4936</mml:mn></mml:math></inline-formula>. We now combine the two real shape mode amplitudes into a single complex amplitude <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="da23"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo id="da23a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da23a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A23)</label></disp-formula>which involves the argument <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the coordinate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> on the moduli space. This induces a rotation which generalizes the dynamics. Now, the motion can be in any direction through the origin of the moduli space, and the Lagrangian in <xref ref-type="disp-formula" rid="da22">(A22)</xref> becomes <disp-formula id="da24"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(A24)</label></disp-formula>Finally, if the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> is set as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:math></inline-formula> and we define <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, then the effective Lagrangian becomes <disp-formula id="da25"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A25)</label></disp-formula>which reproduces the expression <xref ref-type="disp-formula" rid="d63">(63)</xref> introduced in the main text.</p></sec></app></app-group><ref-list><ref id="c1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>1</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>H. Arodź</string-name></person-group>, <article-title>Bound states of the vector field with a vortex in the Abelian Higgs model</article-title>, <source>Acta Phys. Pol. B</source> <volume>22</volume>, <page-range>511</page-range> (<year>1991</year>), <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.actaphys.uj.edu.pl/fulltext?series=Reg&amp;vol=22&amp;page=511">https://www.actaphys.uj.edu.pl/fulltext?series=Reg&amp;vol=22&amp;page=511</ext-link>.<pub-id pub-id-type="coden">APOBBB</pub-id><issn>0587-4254</issn></mixed-citation></ref><ref id="c2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>2</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Goodband</string-name> and <string-name>M. Hindmarsh</string-name></person-group>, <article-title>Bound states and instabilities of vortices</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>52</volume>, <page-range>4621</page-range> (<year>1995</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>0556-2821</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.52.4621</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>3</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Alonso-Izquierdo</string-name>, <string-name>W. Garcia Fuertes</string-name>, and <string-name>J. Mateos Guilarte</string-name></person-group>, <article-title>A note on BPS vortex bound states</article-title>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>753</volume>, <page-range>29</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.physletb.2015.11.070</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>4</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Alonso Izquierdo</string-name>, <string-name>W. Garcia Fuertes</string-name>, and <string-name>J. Mateos Guilarte</string-name></person-group>, <article-title>Dissecting zero modes and bound states on BPS vortices in Ginzburg–Landau superconductors</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>074</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP05(2016)074</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>5</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Alonso Izquierdo</string-name>, <string-name>W. Garcia Fuertes</string-name>, <string-name>N. S. Manton</string-name>, and <string-name>J. Mateos Guilarte</string-name></person-group>, <article-title>Spectral flow of vortex shape modes over the BPS 2-vortex moduli space</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2024</volume>) <page-range>020</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP01(2024)020</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>6</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. M. Samols</string-name></person-group>, <article-title>Vortex scattering</article-title>, <source>Commun. Math. Phys.</source> <volume>145</volume>, <page-range>149</page-range> (<year>1992</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CMPHAY</pub-id><issn>0010-3616</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/BF02099284</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>7</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Sugiyama</string-name></person-group>, <article-title>Kink-antikink collisions in the two-dimensional <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> model</article-title>, <source>Prog. Theor. Phys.</source> <volume>61</volume>, <page-range>1550</page-range> (<year>1979</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PTPKAV</pub-id><issn>0033-068X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1143/PTP.61.1550</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>8</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. K. Campbell</string-name>, <string-name>J. F. Schonfeld</string-name>, and <string-name>C. A. Wingate</string-name></person-group>, <article-title>Resonance structure in kink-antikink interactions in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> theory</article-title>, <source>Physica D (Amsterdam)</source> <volume>9</volume>, <page-range>1</page-range> (<year>1983</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PDNPDT</pub-id><issn>0167-2789</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0167-2789(83)90289-0</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>9</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>N. S. Manton</string-name>, <string-name>K. Oles</string-name>, <string-name>T. Romanczukiewicz</string-name>, and <string-name>A. Wereszczynski</string-name></person-group>, <article-title>Collective coordinate model of kink-antikink collisions in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> theory</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>127</volume>, <page-range>071601</page-range> (<year>2021</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.127.071601</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>10</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>N. S. Manton</string-name> and <string-name>J. M. Speight</string-name></person-group>, <article-title>Asymptotic interactions of critically coupled vortices</article-title>, <source>Commun. Math. Phys.</source> <volume>236</volume>, <page-range>535</page-range> (<year>2003</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CMPHAY</pub-id><issn>0010-3616</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/s00220-003-0842-4</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>11</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Krusch</string-name>, <string-name>M. Rees</string-name>, and <string-name>T. Winyard</string-name></person-group>, <article-title>Scattering of vortices with excited normal modes</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2406.04164</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>12</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Alonso Izquierdo</string-name>, <string-name>L. M. Nieto</string-name>, and <string-name>J. Queiroga-Nunes</string-name></person-group>, <article-title>Scattering between wobbling kinks</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>103</volume>, <page-range>045003</page-range> (<year>2021</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.103.045003</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>13</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>C. Adam</string-name>, <string-name>K. Oles</string-name>, <string-name>T. Romanczukiewicz</string-name>, and <string-name>A. Wereszczynski</string-name></person-group>, <article-title>Spectral walls in soliton collisions</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>122</volume>, <page-range>241601</page-range> (<year>2019</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.122.241601</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>14</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>N. Manton</string-name> and <string-name>P. Sutcliffe</string-name></person-group>, <source>Topological Solitons</source> (<publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>, Cambridge, England, <year>2004</year>).</mixed-citation></ref></ref-list></back></article>
