习题 14.5 - 解答
习题 14.5 分析与解答
在 d=4−ε 维时空的 φ4 理论中,计算传播子在 O(λ) 阶的修正,本质上是计算单圈自能(Self-energy)图(即蝌蚪图,Tadpole diagram),并结合重整化反项(Counterterms)来消除发散。
根据 Srednicki 的约定,度规符号为 (−,+,+,+),裸拉格朗日量包含重整化常数 Zφ=1+A, Zm=1+B, Zλ=1+C。在 MS 方案(或使用标度 μ~ 的 MS 方案)下,反项仅包含 1/ε 的极点。
第一步:计算单圈自能积分 Πloop(k2)
在 O(λ) 阶,对自能有贡献的费曼图是一个单圈蝌蚪图。其对应的费曼规则给出:
iΠloop(k2)=21(−iλμ~ε)∫(2π)dddll2+m2−iϵ−i
其中 21 是该图的对称因子,μ~ 是为了保持耦合常数 λ 无量纲而引入的质量标度。
进行 Wick 转动(l0=ilE0, ddl=iddlE, l2=lE2),积分化为欧几里得空间形式:
iΠloop(k2)=−21λμ~ε∫(2π)diddlElE2+m21
消去两侧的 i,并使用标准的 d 维动量积分公式 ∫(2π)dddlE(lE2+Δ)n1=(4π)d/21Γ(n)Γ(n−d/2)Δd/2−n,代入 n=1,Δ=m2:
Πloop(k2)=−21λμ~ε(4π)d/21Γ(1−2d)(m2)d/2−1
第二步:在 d=4−ε 维展开
代入 d=4−ε,并使用 MS 方案中 μ~ 的定义:μ~2=μ24πeγ(其中 γ 为欧拉-马斯刻若尼常数,μ 为物理能标)。
首先展开 Gamma 函数:
Γ(−1+2ε)=−1+ε/2Γ(ε/2)=−1+ε/2ε2−γ+O(ε)=−(ε2−γ)(1+2ε+O(ε))=−ε2−1+γ+O(ε)
接着处理质量与能标项:
(4π)2−ε/2μ~ε(m2)1−ε/2=16π2m2(m24πμ~2)ε/2=16π2m2(m2μ2eγ)ε/2
=16π2m2[1+2εln(m2μ2)+2εγ+O(ε2)]
将上述展开结果代回 Πloop:
Πloop(k2)=−32π2λm2[1+2εln(m2μ2)+2εγ](−ε2−1+γ)
展开并保留到 O(ε0) 阶,注意 γ 项会精确抵消:
Πloop(k2)=32π2λm2(ε2+1−γ+lnm2μ2+γ)=32π2λm2(ε2+1+lnm2μ2)
注意:单圈自能与外动量 k2 无关。
第三步:计算反项 A 和 B
拉格朗日量中的反项部分为 LCT=−21A∂μφ∂μφ−21Bm2φ2。
在动量空间中,反项对自能的贡献为:
ΠCT(k2)=−Ak2−Bm2
完整的 O(λ) 阶自能为单圈贡献与反项贡献之和:
Π(k2)=Πloop(k2)+ΠCT(k2)=32π2λm2(ε2+1+lnm2μ2)−Ak2−Bm2
在 MS 方案中,反项 A 和 B 仅用于吸收 1/ε 的发散极点。因此我们要求:
−Ak2−Bm2+16π2ελm2=0
比较 k2 和 m2 的系数,直接得到 O(λ) 阶的反项:
A=0
B=16π2ελ
(A=0 反映了在 φ4 理论中,单圈级别没有波函数重整化修正)。
第四步:传播子的 O(λ) 修正
扣除发散后,有限的自能部分为:
Πfinite(k2)=32π2λm2(1+lnm2μ2)
精确传播子可表示为 Δ(k2)=k2+m2−Π(k2)−iϵ−i。
将其在树图传播子 Δ0(k2)=k2+m2−iϵ−i 基础上展开,传播子在 O(λ) 阶的修正项 Δ1(k2) 为:
Δ1(k2)=Δ0(k2)[iΠfinite(k2)]Δ0(k2)=(k2+m2)2iΠfinite(k2)
代入 Πfinite,得到传播子的 O(λ) 修正最终结果:
Δ1(k2)=32π2(k2+m2)2iλm2(1+lnm2μ2)