14.1

Problem 14.1

srednickiChapter 14

习题 14.1

来源: 第14章, PDF第118页


14.1 Derive a generalization of Feynman's formula,

1A1α1Anαn=Γ(iαi)iΓ(αi)1(n1)!dFnixiαi1(ixiAi)iαi.(14.49)\frac{1}{A_{1}^{\alpha_{1}} \dots A_{n}^{\alpha_{n}}}=\frac{\Gamma\left(\sum_{i} \alpha_{i}\right)}{\prod_{i} \Gamma\left(\alpha_{i}\right)} \frac{1}{(n-1) !} \int d F_{n} \frac{\prod_{i} x_{i}^{\alpha_{i}-1}}{\left(\sum_{i} x_{i} A_{i}\right)^{\sum_{i} \alpha_{i}}} . \tag{14.49}

Hint: start with

Γ(α)Aα=0dttα1eAt,(14.50)\frac{\Gamma(\alpha)}{A^{\alpha}}=\int_{0}^{\infty} d t t^{\alpha-1} e^{-A t}, \tag{14.50}

which defines the gamma function. Put an index on AA, α\alpha, and tt, and take the product. Then multiply on the right-hand side by

1=0dsδ(siti).(14.51)1=\int_{0}^{\infty} d s \delta\left(s-\sum_{i} t_{i}\right) . \tag{14.51}

Make the change of variable ti=sxit_{i}=s x_{i}, and carry out the integral over ss.

习题 14.1 - 解答


根据提示,我们从伽马函数(Gamma function)的积分定义出发:

Γ(α)Aα=0dttα1eAt\frac{\Gamma(\alpha)}{A^{\alpha}}=\int_{0}^{\infty} d t \, t^{\alpha-1} e^{-A t}

为变量 A,α,tA, \alpha, t 加上指标 ii,并将 nn 个这样的等式相乘,得到:

i=1nΓ(αi)Aiαi=i=1n(0dtitiαi1eAiti)=00(i=1ndtitiαi1)exp(i=1nAiti)\prod_{i=1}^{n} \frac{\Gamma(\alpha_{i})}{A_{i}^{\alpha_{i}}} = \prod_{i=1}^{n} \left( \int_{0}^{\infty} d t_{i} \, t_{i}^{\alpha_{i}-1} e^{-A_{i} t_{i}} \right) = \int_{0}^{\infty} \cdots \int_{0}^{\infty} \left( \prod_{i=1}^{n} d t_{i} \, t_{i}^{\alpha_{i}-1} \right) \exp\left(-\sum_{i=1}^{n} A_{i} t_{i}\right)

在等式右侧插入恒等式 1=0dsδ(si=1nti)1=\int_{0}^{\infty} d s \, \delta\left(s-\sum_{i=1}^{n} t_{i}\right),将积分改写为:

i=1nΓ(αi)Aiαi=0ds00(i=1ndtitiαi1)exp(i=1nAiti)δ(si=1nti)\prod_{i=1}^{n} \frac{\Gamma(\alpha_{i})}{A_{i}^{\alpha_{i}}} = \int_{0}^{\infty} d s \int_{0}^{\infty} \cdots \int_{0}^{\infty} \left( \prod_{i=1}^{n} d t_{i} \, t_{i}^{\alpha_{i}-1} \right) \exp\left(-\sum_{i=1}^{n} A_{i} t_{i}\right) \delta\left(s-\sum_{i=1}^{n} t_{i}\right)

接下来作变量代换 ti=sxit_{i} = s x_{i}。由于 ti[0,)t_i \in [0, \infty)s0s \ge 0,新变量 xix_i 的积分范围仍为 [0,)[0, \infty)。 微元变换为 dti=sdxid t_{i} = s d x_{i},因此 i=1ndti=sni=1ndxi\prod_{i=1}^{n} d t_{i} = s^{n} \prod_{i=1}^{n} d x_{i}。 狄拉克 δ\delta 函数变为:

δ(si=1nsxi)=δ(s(1i=1nxi))=1sδ(1i=1nxi)\delta\left(s-\sum_{i=1}^{n} s x_{i}\right) = \delta\left(s\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right)\right) = \frac{1}{s} \delta\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right)

将这些代换代入积分中:

i=1nΓ(αi)Aiαi=0ds00(sni=1ndxi)(i=1n(sxi)αi1)exp(si=1nAixi)1sδ(1i=1nxi)\prod_{i=1}^{n} \frac{\Gamma(\alpha_{i})}{A_{i}^{\alpha_{i}}} = \int_{0}^{\infty} d s \int_{0}^{\infty} \cdots \int_{0}^{\infty} \left( s^{n} \prod_{i=1}^{n} d x_{i} \right) \left( \prod_{i=1}^{n} (s x_{i})^{\alpha_{i}-1} \right) \exp\left(-s \sum_{i=1}^{n} A_{i} x_{i}\right) \frac{1}{s} \delta\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right)

整理被积函数中 ss 的幂次。ss 的总指数为:

n+i=1n(αi1)1=n+i=1nαin1=i=1nαi1n + \sum_{i=1}^{n} (\alpha_{i} - 1) - 1 = n + \sum_{i=1}^{n} \alpha_{i} - n - 1 = \sum_{i=1}^{n} \alpha_{i} - 1

将关于 ss 的积分与关于 xix_i 的积分分离:

i=1nΓ(αi)Aiαi=00(i=1ndxixiαi1)δ(1i=1nxi)0dssiαi1exp(si=1nAixi)\prod_{i=1}^{n} \frac{\Gamma(\alpha_{i})}{A_{i}^{\alpha_{i}}} = \int_{0}^{\infty} \cdots \int_{0}^{\infty} \left( \prod_{i=1}^{n} d x_{i} \, x_{i}^{\alpha_{i}-1} \right) \delta\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right) \int_{0}^{\infty} d s \, s^{\sum_{i} \alpha_{i} - 1} \exp\left(-s \sum_{i=1}^{n} A_{i} x_{i}\right)

对于 ss 的积分,再次利用伽马函数的定义:

0dssiαi1exp(si=1nAixi)=Γ(i=1nαi)(i=1nAixi)i=1nαi\int_{0}^{\infty} d s \, s^{\sum_{i} \alpha_{i} - 1} \exp\left(-s \sum_{i=1}^{n} A_{i} x_{i}\right) = \frac{\Gamma\left(\sum_{i=1}^{n} \alpha_{i}\right)}{\left(\sum_{i=1}^{n} A_{i} x_{i}\right)^{\sum_{i=1}^{n} \alpha_{i}}}

将其代回原式,并注意到 δ(1i=1nxi)\delta\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right) 实际上将每个 xix_i 的积分上限限制在了 11

i=1nΓ(αi)Aiαi=Γ(i=1nαi)0101(i=1ndxi)δ(1i=1nxi)i=1nxiαi1(i=1nAixi)i=1nαi\prod_{i=1}^{n} \frac{\Gamma(\alpha_{i})}{A_{i}^{\alpha_{i}}} = \Gamma\left(\sum_{i=1}^{n} \alpha_{i}\right) \int_{0}^{1} \cdots \int_{0}^{1} \left( \prod_{i=1}^{n} d x_{i} \right) \delta\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right) \frac{\prod_{i=1}^{n} x_{i}^{\alpha_{i}-1}}{\left(\sum_{i=1}^{n} A_{i} x_{i}\right)^{\sum_{i=1}^{n} \alpha_{i}}}

等式两边同除以 i=1nΓ(αi)\prod_{i=1}^{n} \Gamma(\alpha_{i})

1i=1nAiαi=Γ(i=1nαi)i=1nΓ(αi)0101(i=1ndxi)δ(1i=1nxi)i=1nxiαi1(i=1nAixi)i=1nαi\frac{1}{\prod_{i=1}^{n} A_{i}^{\alpha_{i}}} = \frac{\Gamma\left(\sum_{i=1}^{n} \alpha_{i}\right)}{\prod_{i=1}^{n} \Gamma(\alpha_{i})} \int_{0}^{1} \cdots \int_{0}^{1} \left( \prod_{i=1}^{n} d x_{i} \right) \delta\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right) \frac{\prod_{i=1}^{n} x_{i}^{\alpha_{i}-1}}{\left(\sum_{i=1}^{n} A_{i} x_{i}\right)^{\sum_{i=1}^{n} \alpha_{i}}}

在量子场论中,标准的费曼参数积分测度定义为 dFn=(n1)!δ(1i=1nxi)i=1ndxid F_{n} = (n-1)! \, \delta\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right) \prod_{i=1}^{n} d x_{i}。因此我们可以将测度替换为:

(i=1ndxi)δ(1i=1nxi)=1(n1)!dFn\left( \prod_{i=1}^{n} d x_{i} \right) \delta\left(1-\sum_{i=1}^{n} x_{i}\right) = \frac{1}{(n-1)!} d F_{n}

代入后即得到广义费曼参数化公式:

1A1α1Anαn=Γ(iαi)iΓ(αi)1(n1)!dFnixiαi1(ixiAi)iαi\boxed{ \frac{1}{A_{1}^{\alpha_{1}} \dots A_{n}^{\alpha_{n}}}=\frac{\Gamma\left(\sum_{i} \alpha_{i}\right)}{\prod_{i} \Gamma\left(\alpha_{i}\right)} \frac{1}{(n-1) !} \int d F_{n} \frac{\prod_{i} x_{i}^{\alpha_{i}-1}}{\left(\sum_{i} x_{i} A_{i}\right)^{\sum_{i} \alpha_{i}}} }
14.2

Problem 14.2

srednickiChapter 14

习题 14.2

来源: 第14章, PDF第118页


14.2 Verify eq. (14.23).


Referenced Equations:

Equation (14.23):

Ωd=2πd/2Γ(12d);(14.23)\Omega_d = \frac{2\pi^{d/2}}{\Gamma(\frac{1}{2}d)} ; \tag{14.23}

习题 14.2 - 解答


习题分析

公式 (14.23) 中的 Ωd\Omega_d 表示 dd 维欧几里得空间中的总立体角,在几何上等价于嵌入在 dd 维空间中的 (d1)(d-1) 维单位球面 Sd1S^{d-1} 的表面积。在理论物理(如统计力学、量子场论中的维数正规化)中,推导该公式最标准且优雅的方法是利用高斯积分的旋转不变性。通过在笛卡尔坐标系和 dd 维超球坐标系下分别计算同一个 dd 维各向同性高斯积分,并比较两者的结果,即可严格导出 Ωd\Omega_d 的表达式。

推导过程

考虑在全空间 Rd\mathbb{R}^d 上的 dd 维高斯积分: Id=dx1dx2dxdexp(i=1dxi2)I_d = \int_{-\infty}^{\infty} dx_1 \int_{-\infty}^{\infty} dx_2 \cdots \int_{-\infty}^{\infty} dx_d \exp\left(-\sum_{i=1}^d x_i^2\right)

步骤 1:在笛卡尔坐标系下计算 在笛卡尔坐标系中,被积函数和积分测度可以完全分解为 dd 个相互独立的一维高斯积分的乘积: Id=i=1d(dxiexi2)I_d = \prod_{i=1}^d \left( \int_{-\infty}^{\infty} dx_i \, e^{-x_i^2} \right) 利用熟知的一维高斯积分结果 ex2dx=π\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2} dx = \sqrt{\pi},可以直接得到: Id=(π)d=πd/2I_d = (\sqrt{\pi})^d = \pi^{d/2}

步骤 2:在 dd 维超球坐标系下计算 利用被积函数的球对称性,我们可以将积分转换到 dd 维超球坐标系中。此时,体积元变换为 ddx=rd1drdΩdd^d x = r^{d-1} dr \, d\Omega_d,其中 r=i=1dxi2r = \sqrt{\sum_{i=1}^d x_i^2} 是径向坐标,dΩdd\Omega_ddd 维微分立体角。积分变为径向部分与角向部分的乘积: Id=0drrd1er2dΩdI_d = \int_0^\infty dr \, r^{d-1} e^{-r^2} \int d\Omega_d 角向积分即为 dd 维空间的总立体角 Ωd\Omega_ddΩd=Ωd\int d\Omega_d = \Omega_d 因此,积分简化为: Id=Ωd0drrd1er2I_d = \Omega_d \int_0^\infty dr \, r^{d-1} e^{-r^2}

步骤 3:计算径向积分 为了计算径向积分,引入变量代换 t=r2t = r^2。由此可得 dt=2rdrdt = 2r \, dr,即 dr=dt2tdr = \frac{dt}{2\sqrt{t}},积分上下限保持不变(00\infty)。代入径向积分中: 0drrd1er2=0dt2tt(d1)/2et=120dttd21et\int_0^\infty dr \, r^{d-1} e^{-r^2} = \int_0^\infty \frac{dt}{2\sqrt{t}} t^{(d-1)/2} e^{-t} = \frac{1}{2} \int_0^\infty dt \, t^{\frac{d}{2} - 1} e^{-t} 根据欧拉伽马函数(Euler Gamma function)的积分定义 Γ(z)=0dttz1et\Gamma(z) = \int_0^\infty dt \, t^{z-1} e^{-t}(对于 Re(z)>0\text{Re}(z) > 0),上述积分可以写为: 0drrd1er2=12Γ(d2)\int_0^\infty dr \, r^{d-1} e^{-r^2} = \frac{1}{2} \Gamma\left(\frac{d}{2}\right) 将其代回 IdI_d 的表达式中,得到超球坐标系下的积分结果: Id=Ωd12Γ(d2)I_d = \Omega_d \frac{1}{2} \Gamma\left(\frac{d}{2}\right)

步骤 4:比较结果并求解 将笛卡尔坐标系和超球坐标系下得到的 IdI_d 结果等同起来: πd/2=Ωd12Γ(d2)\pi^{d/2} = \Omega_d \frac{1}{2} \Gamma\left(\frac{d}{2}\right) 对总立体角 Ωd\Omega_d 进行求解,移项可得: Ωd=2πd/2Γ(d2)\Omega_d = \frac{2\pi^{d/2}}{\Gamma\left(\frac{d}{2}\right)}

至此,公式 (14.23) 得到严格证明。

Ωd=2πd/2Γ(12d)\boxed{ \Omega_d = \frac{2\pi^{d/2}}{\Gamma\left(\frac{1}{2}d\right)} }
14.3

Problem 14.3

srednickiChapter 14

习题 14.3

来源: 第14章, PDF第118页


14.3 a) Show that

ddqqμf(q2)=0,ddqqμqνf(q2)=C2gμνddqq2f(q2),\begin{align} \int d^{d} q q^{\mu} f\left(q^{2}\right) &= 0, \tag{14.52} \\ \int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} f\left(q^{2}\right) &= C_{2} g^{\mu \nu} \int d^{d} q q^{2} f\left(q^{2}\right), \tag{14.53} \\ \end{align}

and evaluate the constant C2C_{2} in terms of dd. Hint: use Lorentz symmetry to argue for the general structure, and evaluate C2C_{2} by contracting with gμνg_{\mu \nu}.

b) Similarly evaluate ddqqμqνqρqσf(q2)\int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} q^{\rho} q^{\sigma} f\left(q^{2}\right).

习题 14.3 - 解答


在量子场论的圈图计算中,经常需要处理带有动量张量结构的 dd 维积分。由于积分域在整个动量空间中是各向同性的(在 Wick 转动后的欧几里得空间中具有 O(d)O(d) 旋转对称性,或在闵可夫斯基空间中具有洛伦兹对称性),积分结果必须由度规张量 gμνg^{\mu\nu} 构造的完全对称的不变张量来表示。这种利用对称性简化张量积分的方法被称为张量分解(Tensor decomposition)。

a) 证明式 (14.52) 与 (14.53) 并求解 C2C_2

对于一阶张量积分 ddqqμf(q2)\int d^{d} q q^{\mu} f\left(q^{2}\right),被积函数在 qqq \to -q 变换下是奇函数(即 (q)μf((q)2)=qμf(q2)(-q)^\mu f((-q)^2) = -q^\mu f(q^{2})),而积分测度 ddqd^d q 和积分域是对称的。因此,该积分必然为零:

ddqqμf(q2)=0\int d^{d} q q^{\mu} f\left(q^{2}\right) = 0

从洛伦兹对称性的角度来看,该积分是一个秩为 1 的张量(即矢量)。由于系统中不存在任何外部矢量来提供优选方向,它只能为零向量。

对于二阶张量积分 ddqqμqνf(q2)\int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} f\left(q^{2}\right),它是一个关于指标 μ,ν\mu, \nu 对称的秩为 2 的张量。唯一可用的不变对称二阶张量是度规张量 gμνg^{\mu\nu}。因此,该积分必定正比于 gμνg^{\mu\nu}

ddqqμqνf(q2)=C2gμνddqq2f(q2)\int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} f\left(q^{2}\right) = C_2 g^{\mu \nu} \int d^{d} q q^{2} f\left(q^{2}\right)

为了确定比例常数 C2C_2,我们在等式两边同时用 gμνg_{\mu\nu} 进行缩并。 左边缩并得到:

gμνddqqμqνf(q2)=ddq(gμνqμqν)f(q2)=ddqq2f(q2)g_{\mu \nu} \int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} f\left(q^{2}\right) = \int d^{d} q \left(g_{\mu \nu} q^{\mu} q^{\nu}\right) f\left(q^{2}\right) = \int d^{d} q q^{2} f\left(q^{2}\right)

右边缩并得到:

C2(gμνgμν)ddqq2f(q2)=C2dddqq2f(q2)C_2 \left(g_{\mu \nu} g^{\mu \nu}\right) \int d^{d} q q^{2} f\left(q^{2}\right) = C_2 d \int d^{d} q q^{2} f\left(q^{2}\right)

其中用到了在 dd 维时空中的度规迹 gμνgμν=δμμ=dg_{\mu \nu} g^{\mu \nu} = \delta_\mu^\mu = d。 将左右两边相等,消去积分项,解得:

C2=1d\boxed{C_2 = \frac{1}{d}}

b) 计算四阶张量积分 ddqqμqνqρqσf(q2)\int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} q^{\rho} q^{\sigma} f\left(q^{2}\right)

对于四阶张量积分,它是一个关于指标 μ,ν,ρ,σ\mu, \nu, \rho, \sigma 完全对称的秩为 4 的张量。由度规张量 gg 构造的完全对称的四阶不变张量只能是以下三种组合的等权重求和:

gμνgρσ+gμρgνσ+gμσgνρg^{\mu \nu} g^{\rho \sigma} + g^{\mu \rho} g^{\nu \sigma} + g^{\mu \sigma} g^{\nu \rho}

因此,我们可以假设该积分具有如下一般结构:

ddqqμqνqρqσf(q2)=B(gμνgρσ+gμρgνσ+gμσgνρ)\int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} q^{\rho} q^{\sigma} f\left(q^{2}\right) = B \left( g^{\mu \nu} g^{\rho \sigma} + g^{\mu \rho} g^{\nu \sigma} + g^{\mu \sigma} g^{\nu \rho} \right)

为了求解常数 BB,我们在等式两边同时用 gμνgρσg_{\mu \nu} g_{\rho \sigma} 进行缩并。 左边缩并得到:

gμνgρσddqqμqνqρqσf(q2)=ddq(gμνqμqν)(gρσqρqσ)f(q2)=ddq(q2)2f(q2)g_{\mu \nu} g_{\rho \sigma} \int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} q^{\rho} q^{\sigma} f\left(q^{2}\right) = \int d^{d} q \left(g_{\mu \nu} q^{\mu} q^{\nu}\right) \left(g_{\rho \sigma} q^{\rho} q^{\sigma}\right) f\left(q^{2}\right) = \int d^{d} q \left(q^{2}\right)^{2} f\left(q^{2}\right)

右边缩并得到:

Bgμνgρσ(gμνgρσ+gμρgνσ+gμσgνρ)B g_{\mu \nu} g_{\rho \sigma} \left( g^{\mu \nu} g^{\rho \sigma} + g^{\mu \rho} g^{\nu \sigma} + g^{\mu \sigma} g^{\nu \rho} \right)

我们利用度规张量的性质逐项计算括号内的缩并:

  1. gμνgρσgμνgρσ=(gμνgμν)(gρσgρσ)=dd=d2g_{\mu \nu} g_{\rho \sigma} g^{\mu \nu} g^{\rho \sigma} = (g_{\mu \nu} g^{\mu \nu}) (g_{\rho \sigma} g^{\rho \sigma}) = d \cdot d = d^2
  2. gμνgρσgμρgνσ=gμνgνσgσρgρμ=δμσδσμ=δμμ=dg_{\mu \nu} g_{\rho \sigma} g^{\mu \rho} g^{\nu \sigma} = g_{\mu \nu} g^{\nu \sigma} g_{\sigma \rho} g^{\rho \mu} = \delta_{\mu}^{\sigma} \delta_{\sigma}^{\mu} = \delta_{\mu}^{\mu} = d
  3. gμνgρσgμσgνρ=gμνgνρgρσgσμ=δμρδρμ=δμμ=dg_{\mu \nu} g_{\rho \sigma} g^{\mu \sigma} g^{\nu \rho} = g_{\mu \nu} g^{\nu \rho} g_{\rho \sigma} g^{\sigma \mu} = \delta_{\mu}^{\rho} \delta_{\rho}^{\mu} = \delta_{\mu}^{\mu} = d

将这三项相加,右边变为:

B(d2+d+d)=Bd(d+2)B (d^2 + d + d) = B d(d+2)

令左右两边相等,解得:

B=1d(d+2)ddq(q2)2f(q2)B = \frac{1}{d(d+2)} \int d^{d} q \left(q^{2}\right)^{2} f\left(q^{2}\right)

BB 代回原假设结构中,得到最终的张量积分计算结果:

ddqqμqνqρqσf(q2)=1d(d+2)(gμνgρσ+gμρgνσ+gμσgνρ)ddq(q2)2f(q2)\boxed{\int d^{d} q q^{\mu} q^{\nu} q^{\rho} q^{\sigma} f\left(q^{2}\right) = \frac{1}{d(d+2)} \left( g^{\mu \nu} g^{\rho \sigma} + g^{\mu \rho} g^{\nu \sigma} + g^{\mu \sigma} g^{\nu \rho} \right) \int d^{d} q \left(q^{2}\right)^{2} f\left(q^{2}\right)}
14.4

Problem 14.4

srednickiChapter 14

习题 14.4

来源: 第14章, PDF第118页


14.4 Compute the values of κA\kappa_{A} and κB\kappa_{B}.

习题 14.4 - 解答


根据题意,我们需要利用给定的自能 Π(k2)\Pi(k^2) 的两种表达式来确定常数 κA\kappa_AκB\kappa_B

首先,由式 (14.39) 和式 (14.43) 给出 Π(k2)\Pi(k^2) 的两种等效形式:

Π(k2)=12α01dxDln(D/m2)+α(16κAk2+κBm2)+O(α2)\Pi(k^2) = \frac{1}{2}\alpha \int_{0}^{1} dx \, D \ln(D/m^2) + \alpha \left( \frac{1}{6}\kappa_A k^2 + \kappa_B m^2 \right) + O(\alpha^2)
Π(k2)=12α01dxDln(D/D0)112α(k2+m2)+O(α2)\Pi(k^2) = \frac{1}{2}\alpha \int_{0}^{1} dx \, D \ln(D/D_0) - \frac{1}{12}\alpha(k^2 + m^2) + O(\alpha^2)

其中 D=x(1x)k2+m2D = x(1-x)k^2 + m^2,且 D0=[1x(1x)]m2D_0 = [1-x(1-x)]m^2

将两式在 O(α)\mathcal{O}(\alpha) 阶相等,并利用对数性质 ln(D/D0)=ln(D/m2)ln(D0/m2)\ln(D/D_0) = \ln(D/m^2) - \ln(D_0/m^2),可以得到:

16κAk2+κBm2=1201dxDln(D0/m2)112(k2+m2)\frac{1}{6}\kappa_A k^2 + \kappa_B m^2 = - \frac{1}{2} \int_{0}^{1} dx \, D \ln(D_0/m^2) - \frac{1}{12}(k^2 + m^2)

代入 DDD0/m2=1x+x2D_0/m^2 = 1-x+x^2 的表达式,有:

16κAk2+κBm2=1201dx[x(1x)k2+m2]ln(1x+x2)112(k2+m2)\frac{1}{6}\kappa_A k^2 + \kappa_B m^2 = - \frac{1}{2} \int_{0}^{1} dx \, \left[ x(1-x)k^2 + m^2 \right] \ln(1-x+x^2) - \frac{1}{12}(k^2 + m^2)

由于该等式对任意 k2k^2m2m^2 均成立,我们可以分别比较 k2k^2m2m^2 的系数:

16κA=1201dxx(1x)ln(1x+x2)112\frac{1}{6}\kappa_A = - \frac{1}{2} \int_{0}^{1} dx \, x(1-x) \ln(1-x+x^2) - \frac{1}{12}
κB=1201dxln(1x+x2)112\kappa_B = - \frac{1}{2} \int_{0}^{1} dx \, \ln(1-x+x^2) - \frac{1}{12}

下面分别计算这两个积分。

第一步:计算 κB\kappa_B 相关的积分I1=01dxln(1x+x2)I_1 = \int_{0}^{1} dx \, \ln(1-x+x^2)。利用分部积分法:

I1=[xln(1x+x2)]0101dxx2x1x2x+1I_1 = \left[ x \ln(1-x+x^2) \right]_0^1 - \int_{0}^{1} dx \, x \frac{2x-1}{x^2-x+1}

边界项为零。对剩余积分进行代数变形:

I1=01dx2x2xx2x+1=01dx(2+x2x2x+1)I_1 = - \int_{0}^{1} dx \, \frac{2x^2-x}{x^2-x+1} = - \int_{0}^{1} dx \, \left( 2 + \frac{x-2}{x^2-x+1} \right)
=201dx12(2x1)32x2x+1=2[12ln(x2x+1)]01+3201dx(x1/2)2+3/4= -2 - \int_{0}^{1} dx \, \frac{\frac{1}{2}(2x-1) - \frac{3}{2}}{x^2-x+1} = -2 - \left[ \frac{1}{2} \ln(x^2-x+1) \right]_0^1 + \frac{3}{2} \int_{0}^{1} \frac{dx}{(x-1/2)^2 + 3/4}

对数项再次为零,计算反正切积分:

I1=2+32[23arctan(2x13)]01=2+3(π6(π6))=π32I_1 = -2 + \frac{3}{2} \left[ \frac{2}{\sqrt{3}} \arctan\left(\frac{2x-1}{\sqrt{3}}\right) \right]_0^1 = -2 + \sqrt{3} \left( \frac{\pi}{6} - \left(-\frac{\pi}{6}\right) \right) = \frac{\pi}{\sqrt{3}} - 2

因此,κB\kappa_B 的值为:

κB=12(π32)112=1π23112=11123π6\kappa_B = - \frac{1}{2} \left( \frac{\pi}{\sqrt{3}} - 2 \right) - \frac{1}{12} = 1 - \frac{\pi}{2\sqrt{3}} - \frac{1}{12} = \frac{11}{12} - \frac{\sqrt{3}\pi}{6}

第二步:计算 κA\kappa_A 相关的积分I2=01dxx(1x)ln(1x+x2)I_2 = \int_{0}^{1} dx \, x(1-x) \ln(1-x+x^2)。同样使用分部积分法,令 u=ln(1x+x2)u = \ln(1-x+x^2)dv=(xx2)dxdv = (x-x^2)dx,则 v=x22x33v = \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}。边界项依然为零:

I2=01dx(x22x33)2x1x2x+1=1601dx4x48x3+3x2x2x+1I_2 = - \int_{0}^{1} dx \, \left( \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3} \right) \frac{2x-1}{x^2-x+1} = \frac{1}{6} \int_{0}^{1} dx \, \frac{4x^4 - 8x^3 + 3x^2}{x^2-x+1}

通过多项式长除法,将被积函数化简:

4x48x3+3x2x2x+1=4x24x5+5xx2x+1\frac{4x^4 - 8x^3 + 3x^2}{x^2-x+1} = 4x^2 - 4x - 5 + \frac{5-x}{x^2-x+1}

分别积分:

01(4x24x5)dx=4325=173\int_{0}^{1} (4x^2 - 4x - 5) dx = \frac{4}{3} - 2 - 5 = -\frac{17}{3}
015xx2x+1dx=0112(2x1)+92x2x+1dx=0+92[23arctan(2x13)]01=3π\int_{0}^{1} \frac{5-x}{x^2-x+1} dx = \int_{0}^{1} \frac{-\frac{1}{2}(2x-1) + \frac{9}{2}}{x^2-x+1} dx = 0 + \frac{9}{2} \left[ \frac{2}{\sqrt{3}} \arctan\left(\frac{2x-1}{\sqrt{3}}\right) \right]_0^1 = \sqrt{3}\pi

所以 I2=16(173+3π)=1718+3π6I_2 = \frac{1}{6} \left( -\frac{17}{3} + \sqrt{3}\pi \right) = -\frac{17}{18} + \frac{\sqrt{3}\pi}{6}

代入 κA\kappa_A 的表达式中:

16κA=12(1718+3π6)112=17363π12336=7183π12\frac{1}{6}\kappa_A = - \frac{1}{2} \left( -\frac{17}{18} + \frac{\sqrt{3}\pi}{6} \right) - \frac{1}{12} = \frac{17}{36} - \frac{\sqrt{3}\pi}{12} - \frac{3}{36} = \frac{7}{18} - \frac{\sqrt{3}\pi}{12}

两边同乘 6,得到 κA\kappa_A 的值:

κA=733π2\kappa_A = \frac{7}{3} - \frac{\sqrt{3}\pi}{2}

最终结果

κA=733π2,κB=11123π6\boxed{\kappa_A = \frac{7}{3} - \frac{\sqrt{3}\pi}{2}, \quad \kappa_B = \frac{11}{12} - \frac{\sqrt{3}\pi}{6}}
14.5

Problem 14.5

srednickiChapter 14

习题 14.5

来源: 第14章, PDF第118页


14.5 Compute the O(λ)O(\lambda) correction to the propagator in φ4\varphi^{4} theory (see problem 9.2) in d=4εd=4-\varepsilon spacetime dimensions, and compute the O(λ)O(\lambda) terms in AA and BB.

习题 14.5 - 解答


习题 14.5 分析与解答

d=4εd = 4 - \varepsilon 维时空的 φ4\varphi^4 理论中,计算传播子在 O(λ)O(\lambda) 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+AZ_\varphi = 1+A, Zm=1+BZ_m = 1+B, Zλ=1+CZ_\lambda = 1+C。在 MS\overline{\text{MS}} 方案(或使用标度 μ~\tilde{\mu} 的 MS 方案)下,反项仅包含 1/ε1/\varepsilon 的极点。

第一步:计算单圈自能积分 Πloop(k2)\Pi_{\text{loop}}(k^2)

O(λ)O(\lambda) 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)=12(iλμ~ε)ddl(2π)dil2+m2iϵi\Pi_{\text{loop}}(k^2) = \frac{1}{2} (-i\lambda \tilde{\mu}^\varepsilon) \int \frac{d^d l}{(2\pi)^d} \frac{-i}{l^2 + m^2 - i\epsilon} 其中 12\frac{1}{2} 是该图的对称因子,μ~\tilde{\mu} 是为了保持耦合常数 λ\lambda 无量纲而引入的质量标度。

进行 Wick 转动(l0=ilE0l^0 = i l^0_E, ddl=iddlEd^d l = i d^d l_E, l2=lE2l^2 = l_E^2),积分化为欧几里得空间形式: iΠloop(k2)=12λμ~εiddlE(2π)d1lE2+m2i\Pi_{\text{loop}}(k^2) = -\frac{1}{2} \lambda \tilde{\mu}^\varepsilon \int \frac{i d^d l_E}{(2\pi)^d} \frac{1}{l_E^2 + m^2} 消去两侧的 ii,并使用标准的 dd 维动量积分公式 ddlE(2π)d1(lE2+Δ)n=1(4π)d/2Γ(nd/2)Γ(n)Δd/2n\int \frac{d^d l_E}{(2\pi)^d} \frac{1}{(l_E^2 + \Delta)^n} = \frac{1}{(4\pi)^{d/2}} \frac{\Gamma(n - d/2)}{\Gamma(n)} \Delta^{d/2 - n},代入 n=1,Δ=m2n=1, \Delta=m^2Πloop(k2)=12λμ~ε1(4π)d/2Γ(1d2)(m2)d/21\Pi_{\text{loop}}(k^2) = -\frac{1}{2} \lambda \tilde{\mu}^\varepsilon \frac{1}{(4\pi)^{d/2}} \Gamma\left(1 - \frac{d}{2}\right) (m^2)^{d/2 - 1}

第二步:在 d=4εd = 4 - \varepsilon 维展开

代入 d=4εd = 4 - \varepsilon,并使用 MS\overline{\text{MS}} 方案中 μ~\tilde{\mu} 的定义:μ~2=μ2eγ4π\tilde{\mu}^2 = \mu^2 \frac{e^\gamma}{4\pi}(其中 γ\gamma 为欧拉-马斯刻若尼常数,μ\mu 为物理能标)。

首先展开 Gamma 函数: Γ(1+ε2)=Γ(ε/2)1+ε/2=2εγ+O(ε)1+ε/2=(2εγ)(1+ε2+O(ε))=2ε1+γ+O(ε)\Gamma\left(-1 + \frac{\varepsilon}{2}\right) = \frac{\Gamma(\varepsilon/2)}{-1 + \varepsilon/2} = \frac{\frac{2}{\varepsilon} - \gamma + O(\varepsilon)}{-1 + \varepsilon/2} = -\left(\frac{2}{\varepsilon} - \gamma\right)\left(1 + \frac{\varepsilon}{2} + O(\varepsilon)\right) = -\frac{2}{\varepsilon} - 1 + \gamma + O(\varepsilon)

接着处理质量与能标项: μ~ε(4π)2ε/2(m2)1ε/2=m216π2(4πμ~2m2)ε/2=m216π2(μ2eγm2)ε/2\frac{\tilde{\mu}^\varepsilon}{(4\pi)^{2-\varepsilon/2}} (m^2)^{1-\varepsilon/2} = \frac{m^2}{16\pi^2} \left( \frac{4\pi \tilde{\mu}^2}{m^2} \right)^{\varepsilon/2} = \frac{m^2}{16\pi^2} \left( \frac{\mu^2 e^\gamma}{m^2} \right)^{\varepsilon/2} =m216π2[1+ε2ln(μ2m2)+ε2γ+O(ε2)]= \frac{m^2}{16\pi^2} \left[ 1 + \frac{\varepsilon}{2} \ln\left(\frac{\mu^2}{m^2}\right) + \frac{\varepsilon}{2}\gamma + O(\varepsilon^2) \right]

将上述展开结果代回 Πloop\Pi_{\text{loop}}Πloop(k2)=λm232π2[1+ε2ln(μ2m2)+ε2γ](2ε1+γ)\Pi_{\text{loop}}(k^2) = -\frac{\lambda m^2}{32\pi^2} \left[ 1 + \frac{\varepsilon}{2} \ln\left(\frac{\mu^2}{m^2}\right) + \frac{\varepsilon}{2}\gamma \right] \left( -\frac{2}{\varepsilon} - 1 + \gamma \right) 展开并保留到 O(ε0)O(\varepsilon^0) 阶,注意 γ\gamma 项会精确抵消: Πloop(k2)=λm232π2(2ε+1γ+lnμ2m2+γ)=λm232π2(2ε+1+lnμ2m2)\Pi_{\text{loop}}(k^2) = \frac{\lambda m^2}{32\pi^2} \left( \frac{2}{\varepsilon} + 1 - \gamma + \ln\frac{\mu^2}{m^2} + \gamma \right) = \frac{\lambda m^2}{32\pi^2} \left( \frac{2}{\varepsilon} + 1 + \ln\frac{\mu^2}{m^2} \right) 注意:单圈自能与外动量 k2k^2 无关。

第三步:计算反项 AABB

拉格朗日量中的反项部分为 LCT=12Aμφμφ12Bm2φ2\mathcal{L}_{\text{CT}} = -\frac{1}{2} A \partial_\mu \varphi \partial^\mu \varphi - \frac{1}{2} B m^2 \varphi^2。 在动量空间中,反项对自能的贡献为: ΠCT(k2)=Ak2Bm2\Pi_{\text{CT}}(k^2) = -A k^2 - B m^2

完整的 O(λ)O(\lambda) 阶自能为单圈贡献与反项贡献之和: Π(k2)=Πloop(k2)+ΠCT(k2)=λm232π2(2ε+1+lnμ2m2)Ak2Bm2\Pi(k^2) = \Pi_{\text{loop}}(k^2) + \Pi_{\text{CT}}(k^2) = \frac{\lambda m^2}{32\pi^2} \left( \frac{2}{\varepsilon} + 1 + \ln\frac{\mu^2}{m^2} \right) - A k^2 - B m^2

MS\overline{\text{MS}} 方案中,反项 AABB 仅用于吸收 1/ε1/\varepsilon 的发散极点。因此我们要求: Ak2Bm2+λm216π2ε=0-A k^2 - B m^2 + \frac{\lambda m^2}{16\pi^2 \varepsilon} = 0 比较 k2k^2m2m^2 的系数,直接得到 O(λ)O(\lambda) 阶的反项: A=0\boxed{ A = 0 } B=λ16π2ε\boxed{ B = \frac{\lambda}{16\pi^2 \varepsilon} }A=0A=0 反映了在 φ4\varphi^4 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)O(\lambda) 修正

扣除发散后,有限的自能部分为: Πfinite(k2)=λm232π2(1+lnμ2m2)\Pi_{\text{finite}}(k^2) = \frac{\lambda m^2}{32\pi^2} \left( 1 + \ln\frac{\mu^2}{m^2} \right)

精确传播子可表示为 Δ(k2)=ik2+m2Π(k2)iϵ\Delta(k^2) = \frac{-i}{k^2 + m^2 - \Pi(k^2) - i\epsilon}。 将其在树图传播子 Δ0(k2)=ik2+m2iϵ\Delta_0(k^2) = \frac{-i}{k^2 + m^2 - i\epsilon} 基础上展开,传播子在 O(λ)O(\lambda) 阶的修正项 Δ1(k2)\Delta_1(k^2) 为: Δ1(k2)=Δ0(k2)[iΠfinite(k2)]Δ0(k2)=iΠfinite(k2)(k2+m2)2\Delta_1(k^2) = \Delta_0(k^2) \big[ i\Pi_{\text{finite}}(k^2) \big] \Delta_0(k^2) = \frac{i \Pi_{\text{finite}}(k^2)}{(k^2 + m^2)^2}

代入 Πfinite\Pi_{\text{finite}},得到传播子的 O(λ)O(\lambda) 修正最终结果: Δ1(k2)=iλm232π2(k2+m2)2(1+lnμ2m2)\boxed{ \Delta_1(k^2) = \frac{i \lambda m^2}{32\pi^2 (k^2 + m^2)^2} \left( 1 + \ln\frac{\mu^2}{m^2} \right) }

14.6

Problem 14.6

srednickiChapter 14

习题 14.6

来源: 第14章, PDF第118页


14.6 Repeat problem 14.5 for the theory of problem 9.3.

习题 14.6 - 解答


习题分析与物理背景

本题要求针对第9.3题中的理论,重复第14章(计算单圈传播子修正与重整化)的分析。根据标准量子场论教材(Srednicki)的上下文,第9.3题的理论是在 d=6d=6 维时空中的两个实标量场 ϕ\phiχ\chi 的相互作用理论,其拉格朗日量为: L=12μϕμϕ12m2ϕ212μχμχ12M2χ2+12gϕ2χ\mathcal{L} = -\frac{1}{2}\partial^\mu\phi\partial_\mu\phi - \frac{1}{2}m^2\phi^2 - \frac{1}{2}\partial^\mu\chi\partial_\mu\chi - \frac{1}{2}M^2\chi^2 + \frac{1}{2}g\phi^2\chid=6d=6 维度下,耦合常数 gg 是无量纲的,理论是严格可重整化的。相互作用顶点 ϕϕχ\phi\phi\chi 的费曼规则为 igig

我们需要分别计算 χ\chi 场和 ϕ\phi 场的单圈自能(Self-energy)Πχ(k2)\Pi_\chi(k^2)Πϕ(k2)\Pi_\phi(k^2),并使用维数正规化(d=6ϵd = 6 - \epsilon)和 MS\overline{\text{MS}} 方案提取重整化常数 Zχ,ZM,Zϕ,ZmZ_\chi, Z_M, Z_\phi, Z_m。定义无量纲耦合常数 αg2(4π)3\alpha \equiv \frac{g^2}{(4\pi)^3}(注:与第14章一致,我们假设 χ\chi 场的蝌蚪图(Tadpole)已被线性反项 YχY\chi 抵消,因此只考虑 1PI 单圈图。)


1. χ\chi 场的单圈传播子修正

对于 χ\chi 场,单圈自能图由两个内部 ϕ\phi 传播子构成。由于环路中有两条相同的 ϕ\phi 线,对称因子为 S=1/2S = 1/2。 未重整化的单圈自能 iΠχ,loop(k2)i\Pi_{\chi, \text{loop}}(k^2) 为: iΠχ,loop(k2)=12(ig)2μ~ϵddl(2π)dil2+m2i(l+k)2+m2i\Pi_{\chi, \text{loop}}(k^2) = \frac{1}{2} (ig)^2 \tilde{\mu}^\epsilon \int \frac{d^d l}{(2\pi)^d} \frac{-i}{l^2 + m^2} \frac{-i}{(l+k)^2 + m^2} 引入 Feynman 参数 xx,分母合并为 (l+xk)2+x(1x)k2+m2(l+xk)^2 + x(1-x)k^2 + m^2。平移环路动量 q=l+xkq = l + xk,并定义 Dχx(1x)k2+m2D_\chi \equiv x(1-x)k^2 + m^2,得到: iΠχ,loop(k2)=12g2μ~ϵ01dxddq(2π)d1(q2+Dχ)2i\Pi_{\chi, \text{loop}}(k^2) = - \frac{1}{2} g^2 \tilde{\mu}^\epsilon \int_0^1 dx \int \frac{d^d q}{(2\pi)^d} \frac{1}{(q^2 + D_\chi)^2}d=6ϵd = 6 - \epsilon 维下完成动量积分(包含 Wick 转动带来的 ii): ddq(2π)d1(q2+Dχ)2=i(4π)3Dχ(2ϵ1+lnDχμ~2)\int \frac{d^d q}{(2\pi)^d} \frac{1}{(q^2 + D_\chi)^2} = \frac{i}{(4\pi)^3} D_\chi \left( -\frac{2}{\epsilon} - 1 + \ln\frac{D_\chi}{\tilde{\mu}^2} \right) 代入 μ~2=μ2eγ/4π\tilde{\mu}^2 = \mu^2 e^\gamma / 4\pi 吸收掉 Euler-Mascheroni 常数和 ln(4π)\ln(4\pi),得到: Πχ,loop(k2)=α201dxDχ(2ϵ+1lnDχμ2)\Pi_{\chi, \text{loop}}(k^2) = -\frac{\alpha}{2} \int_0^1 dx \, D_\chi \left( \frac{2}{\epsilon} + 1 - \ln\frac{D_\chi}{\mu^2} \right) 提取发散极点部分(2ϵ\frac{2}{\epsilon} 项): Poleχ=αϵ01dx[x(1x)k2+m2]=αϵ(16k2+m2)\text{Pole}_\chi = -\frac{\alpha}{\epsilon} \int_0^1 dx \left[ x(1-x)k^2 + m^2 \right] = -\frac{\alpha}{\epsilon} \left( \frac{1}{6}k^2 + m^2 \right) 完整的自能包含反项贡献: Πχ(k2)=Πχ,loop(k2)(Zχ1)k2(ZM1)M2\Pi_\chi(k^2) = \Pi_{\chi, \text{loop}}(k^2) - (Z_\chi - 1)k^2 - (Z_M - 1)M^2MS\overline{\text{MS}} 方案中,反项严格抵消极点部分: (Zχ1)k2(ZM1)M2αϵ(16k2+m2)=0-(Z_\chi - 1)k^2 - (Z_M - 1)M^2 - \frac{\alpha}{\epsilon} \left( \frac{1}{6}k^2 + m^2 \right) = 0 比较 k2k^2 的系数和常数项,得到 χ\chi 场的重整化常数: Zχ=1α6ϵ,ZM=1αϵm2M2\boxed{ Z_\chi = 1 - \frac{\alpha}{6\epsilon}, \quad Z_M = 1 - \frac{\alpha}{\epsilon}\frac{m^2}{M^2} } 重整化后的 χ\chi 场自能为: Πχ(k2)=α201dx[x(1x)k2+m2](1lnx(1x)k2+m2μ2)\boxed{ \Pi_\chi(k^2) = -\frac{\alpha}{2} \int_0^1 dx \left[ x(1-x)k^2 + m^2 \right] \left( 1 - \ln\frac{x(1-x)k^2 + m^2}{\mu^2} \right) }


2. ϕ\phi 场的单圈传播子修正

对于 ϕ\phi 场,单圈自能图由一条内部 ϕ\phi 线和一条内部 χ\chi 线构成。由于两条内部线对应不同的场,对称因子为 S=1S = 1。 未重整化的单圈自能 iΠϕ,loop(k2)i\Pi_{\phi, \text{loop}}(k^2) 为: iΠϕ,loop(k2)=(ig)2μ~ϵddl(2π)dil2+m2i(l+k)2+M2i\Pi_{\phi, \text{loop}}(k^2) = (ig)^2 \tilde{\mu}^\epsilon \int \frac{d^d l}{(2\pi)^d} \frac{-i}{l^2 + m^2} \frac{-i}{(l+k)^2 + M^2} 引入 Feynman 参数 xx,令 A=(l+k)2+M2A = (l+k)^2 + M^2B=l2+m2B = l^2 + m^2。分母合并为: x[(l+k)2+M2]+(1x)[l2+m2]=(l+xk)2+x(1x)k2+xM2+(1x)m2x[(l+k)^2 + M^2] + (1-x)[l^2 + m^2] = (l+xk)^2 + x(1-x)k^2 + xM^2 + (1-x)m^2 定义 Dϕx(1x)k2+xM2+(1x)m2D_\phi \equiv x(1-x)k^2 + xM^2 + (1-x)m^2,平移环路动量 q=l+xkq = l + xkiΠϕ,loop(k2)=g2μ~ϵ01dxddq(2π)d1(q2+Dϕ)2i\Pi_{\phi, \text{loop}}(k^2) = - g^2 \tilde{\mu}^\epsilon \int_0^1 dx \int \frac{d^d q}{(2\pi)^d} \frac{1}{(q^2 + D_\phi)^2} 同样在 d=6ϵd = 6 - \epsilon 维下积分并化简: Πϕ,loop(k2)=α01dxDϕ(2ϵ+1lnDϕμ2)\Pi_{\phi, \text{loop}}(k^2) = -\alpha \int_0^1 dx \, D_\phi \left( \frac{2}{\epsilon} + 1 - \ln\frac{D_\phi}{\mu^2} \right) 提取发散极点部分: Poleϕ=2αϵ01dx[x(1x)k2+xM2+(1x)m2]\text{Pole}_\phi = -\frac{2\alpha}{\epsilon} \int_0^1 dx \left[ x(1-x)k^2 + xM^2 + (1-x)m^2 \right] 利用积分 01x(1x)dx=16\int_0^1 x(1-x)dx = \frac{1}{6}01xdx=12\int_0^1 x dx = \frac{1}{2}01(1x)dx=12\int_0^1 (1-x)dx = \frac{1}{2},得到: Poleϕ=2αϵ(16k2+12M2+12m2)=αϵ(13k2+M2+m2)\text{Pole}_\phi = -\frac{2\alpha}{\epsilon} \left( \frac{1}{6}k^2 + \frac{1}{2}M^2 + \frac{1}{2}m^2 \right) = -\frac{\alpha}{\epsilon} \left( \frac{1}{3}k^2 + M^2 + m^2 \right) 完整的自能包含 ϕ\phi 场的反项贡献: Πϕ(k2)=Πϕ,loop(k2)(Zϕ1)k2(Zm1)m2\Pi_\phi(k^2) = \Pi_{\phi, \text{loop}}(k^2) - (Z_\phi - 1)k^2 - (Z_m - 1)m^2MS\overline{\text{MS}} 方案中,反项抵消极点: (Zϕ1)k2(Zm1)m2αϵ(13k2+M2+m2)=0-(Z_\phi - 1)k^2 - (Z_m - 1)m^2 - \frac{\alpha}{\epsilon} \left( \frac{1}{3}k^2 + M^2 + m^2 \right) = 0 比较 k2k^2 的系数和常数项,得到 ϕ\phi 场的重整化常数: Zϕ=1α3ϵ,Zm=1αϵ(1+M2m2)\boxed{ Z_\phi = 1 - \frac{\alpha}{3\epsilon}, \quad Z_m = 1 - \frac{\alpha}{\epsilon}\left( 1 + \frac{M^2}{m^2} \right) } 重整化后的 ϕ\phi 场自能为: Πϕ(k2)=α01dx[x(1x)k2+xM2+(1x)m2](1lnx(1x)k2+xM2+(1x)m2μ2)\boxed{ \Pi_\phi(k^2) = -\alpha \int_0^1 dx \left[ x(1-x)k^2 + xM^2 + (1-x)m^2 \right] \left( 1 - \ln\frac{x(1-x)k^2 + xM^2 + (1-x)m^2}{\mu^2} \right) }

14.7

Problem 14.7

srednickiChapter 14

习题 14.7

来源: 第14章, PDF第118,119页


14.7 Renormalization of the anharmonic oscillator. Consider an anharmonic oscillator, specified by the lagrangian

L=12Zq˙212Zωω2q2Zλλω3q4.(14.54)L=\frac{1}{2} Z \dot{q}^{2}-\frac{1}{2} Z_{\omega} \omega^{2} q^{2}-Z_{\lambda} \lambda \omega^{3} q^{4} . \tag{14.54}

We set =1\hbar=1 and m=1m=1; λ\lambda is then dimensionless.

a) Find the hamiltonian HH corresponding to LL. Write it as H=H0+H1H = H_0 + H_1, where H0=12P2+12ω2Q2H_0 = \frac{1}{2}P^2 + \frac{1}{2}\omega^2 Q^2, and [Q,P]=i[Q, P] = i.

b) Let 0|0\rangle and 1|1\rangle be the ground and first excited states of H0H_0, and let Ω|\Omega\rangle and I|\text{I}\rangle be the ground and first excited states of HH. (We take all these eigenstates to have unit norm.) We define ω\omega to be the excitation energy of HH, ωEIEΩ\omega \equiv E_{\text{I}} - E_{\Omega}. We normalize the position operator QQ by setting IQΩ=1Q0=(2ω)1/2\langle\text{I}|Q|\Omega\rangle = \langle 1|Q|0\rangle = (2\omega)^{-1/2}. Finally, to make things mathematically simpler, we set ZλZ_\lambda equal to one, rather than using a more physically motivated definition. Write Z=1+AZ = 1 + A and Zω=1+BZ_\omega = 1 + B, where A=κAλ+O(λ2)A = \kappa_A \lambda + O(\lambda^2) and B=κBλ+O(λ2)B = \kappa_B \lambda + O(\lambda^2). Use Rayleigh-Schrödinger perturbation theory to compute the O(λ)O(\lambda) corrections to the unperturbed energy eigenvalues and eigenstates.

c) Find the numerical values of κA\kappa_A and κB\kappa_B that yield ω=EIEΩ\omega = E_{\text{I}} - E_{\Omega} and IQΩ=(2ω)1/2\langle\text{I}|Q|\Omega\rangle = (2\omega)^{-1/2}.

d) Now think of the lagrangian of eq. (14.54) as specifying a quantum field theory in d=1d = 1 dimensions. Compute the O(λ)O(\lambda) correction to the propagator. Fix κA\kappa_A and κB\kappa_B by requiring the propagator to have a pole at k2=ω2k^2 = -\omega^2 with residue one. Do your results agree with those of part (c)? Should they?

习题 14.7 - 解答


a) 寻找哈密顿量 HH 并将其写为 H=H0+H1H = H_0 + H_1

已知拉格朗日量为: L=12Zq˙212Zωω2q2Zλλω3q4L = \frac{1}{2} Z \dot{q}^2 - \frac{1}{2} Z_\omega \omega^2 q^2 - Z_\lambda \lambda \omega^3 q^4 首先,求出与广义坐标 qq 共轭的动量 PP(题目中用大写字母表示算符): P=Lq˙=Zq˙    q˙=PZP = \frac{\partial L}{\partial \dot{q}} = Z \dot{q} \implies \dot{q} = \frac{P}{Z} 通过勒让德变换得到哈密顿量 HHH=Pq˙L=P2Z(P22Z12Zωω2Q2Zλλω3Q4)=P22Z+12Zωω2Q2+Zλλω3Q4H = P \dot{q} - L = \frac{P^2}{Z} - \left( \frac{P^2}{2Z} - \frac{1}{2} Z_\omega \omega^2 Q^2 - Z_\lambda \lambda \omega^3 Q^4 \right) = \frac{P^2}{2Z} + \frac{1}{2} Z_\omega \omega^2 Q^2 + Z_\lambda \lambda \omega^3 Q^4 根据题目要求,将其分离为无微扰部分 H0=12P2+12ω2Q2H_0 = \frac{1}{2}P^2 + \frac{1}{2}\omega^2 Q^2 和微扰部分 H1H_1H=H0+H1H = H_0 + H_1 H1=12(1Z1)P2+12(Zω1)ω2Q2+Zλλω3Q4\boxed{H_1 = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{Z} - 1 \right) P^2 + \frac{1}{2} (Z_\omega - 1) \omega^2 Q^2 + Z_\lambda \lambda \omega^3 Q^4}

b) 计算 O(λ)O(\lambda) 阶的能量本征值和本征态修正

代入 Z=1+κAλ+O(λ2)Z = 1 + \kappa_A \lambda + O(\lambda^2)Zω=1+κBλ+O(λ2)Z_\omega = 1 + \kappa_B \lambda + O(\lambda^2) 以及 Zλ=1Z_\lambda = 1。在 O(λ)O(\lambda) 阶下,有 1Z1κAλ\frac{1}{Z} - 1 \approx -\kappa_A \lambdaZω1κBλZ_\omega - 1 \approx \kappa_B \lambda。因此微扰哈密顿量为: H1=λ[12κAP2+12κBω2Q2+ω3Q4]H_1 = \lambda \left[ -\frac{1}{2} \kappa_A P^2 + \frac{1}{2} \kappa_B \omega^2 Q^2 + \omega^3 Q^4 \right] 引入产生湮灭算符 aaaa^\dagger,有 Q=12ω(a+a)Q = \frac{1}{\sqrt{2\omega}}(a + a^\dagger)P=iω2(aa)P = -i\sqrt{\frac{\omega}{2}}(a - a^\dagger)。代入 H1H_1 中: P2=ω2(a2+a22N1),Q2=12ω(a2+a2+2N+1)P^2 = -\frac{\omega}{2} (a^2 + a^{\dagger 2} - 2N - 1), \quad Q^2 = \frac{1}{2\omega} (a^2 + a^{\dagger 2} + 2N + 1) H1=λω4[(κA+κB)(a2+a2)+(κBκA)(2N+1)+(a+a)4]H_1 = \frac{\lambda \omega}{4} \left[ (\kappa_A + \kappa_B)(a^2 + a^{\dagger 2}) + (\kappa_B - \kappa_A)(2N + 1) + (a + a^\dagger)^4 \right] 利用 (a+a)4(a+a^\dagger)^4 作用在基态 0|0\rangle 和第一激发态 1|1\rangle 上的结果: (a+a)40=30+622+264(a+a^\dagger)^4 |0\rangle = 3|0\rangle + 6\sqrt{2}|2\rangle + 2\sqrt{6}|4\rangle (a+a)41=151+1063+2305(a+a^\dagger)^4 |1\rangle = 15|1\rangle + 10\sqrt{6}|3\rangle + 2\sqrt{30}|5\rangle 能量修正 En(1)=nH1nE_n^{(1)} = \langle n | H_1 | n \rangleE0(1)=λω4(κBκA+3)E_0^{(1)} = \frac{\lambda \omega}{4} (\kappa_B - \kappa_A + 3) E1(1)=λω4[3(κBκA)+15]E_1^{(1)} = \frac{\lambda \omega}{4} [3(\kappa_B - \kappa_A) + 15] 所以 O(λ)O(\lambda) 阶能量本征值为: EΩ=ω2+λω4(κBκA+3),EI=3ω2+3λω4(κBκA+5)\boxed{E_\Omega = \frac{\omega}{2} + \frac{\lambda \omega}{4} (\kappa_B - \kappa_A + 3), \quad E_{\text{I}} = \frac{3\omega}{2} + \frac{3\lambda \omega}{4} (\kappa_B - \kappa_A + 5)} 本征态修正 n(1)=mnmH1nEn(0)Em(0)m|n^{(1)}\rangle = \sum_{m \neq n} \frac{\langle m | H_1 | n \rangle}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}} |m\rangle: 对于基态 0|0\rangle,非零矩阵元为 2H10=λω24(κA+κB+6)\langle 2 | H_1 | 0 \rangle = \frac{\lambda \omega \sqrt{2}}{4} (\kappa_A + \kappa_B + 6)4H10=λω62\langle 4 | H_1 | 0 \rangle = \frac{\lambda \omega \sqrt{6}}{2}。 对于第一激发态 1|1\rangle,非零矩阵元为 3H11=λω64(κA+κB+10)\langle 3 | H_1 | 1 \rangle = \frac{\lambda \omega \sqrt{6}}{4} (\kappa_A + \kappa_B + 10)5H11=λω302\langle 5 | H_1 | 1 \rangle = \frac{\lambda \omega \sqrt{30}}{2}。 代入能量分母 En(0)En+2(0)=2ωE_n^{(0)} - E_{n+2}^{(0)} = -2\omegaEn(0)En+4(0)=4ωE_n^{(0)} - E_{n+4}^{(0)} = -4\omega,得到 O(λ)O(\lambda) 阶本征态为: Ω=0λ[28(κA+κB+6)2+684]\boxed{|\Omega\rangle = |0\rangle - \lambda \left[ \frac{\sqrt{2}}{8} (\kappa_A + \kappa_B + 6) |2\rangle + \frac{\sqrt{6}}{8} |4\rangle \right]} I=1λ[68(κA+κB+10)3+3085]\boxed{|\text{I}\rangle = |1\rangle - \lambda \left[ \frac{\sqrt{6}}{8} (\kappa_A + \kappa_B + 10) |3\rangle + \frac{\sqrt{30}}{8} |5\rangle \right]}

c) 确定 κA\kappa_AκB\kappa_B 的数值

根据激发能条件 ω=EIEΩ\omega = E_{\text{I}} - E_{\Omega},即要求 E1(1)E0(1)=0E_1^{(1)} - E_0^{(1)} = 0E1(1)E0(1)=λω2(κBκA+6)=0    κAκB=6E_1^{(1)} - E_0^{(1)} = \frac{\lambda \omega}{2} (\kappa_B - \kappa_A + 6) = 0 \implies \kappa_A - \kappa_B = 6 根据矩阵元条件 IQΩ=(2ω)1/2\langle \text{I} | Q | \Omega \rangle = (2\omega)^{-1/2},在 O(λ)O(\lambda) 阶展开有 1Q0(1)+1(1)Q0=0\langle 1 | Q | 0^{(1)} \rangle + \langle 1^{(1)} | Q | 0 \rangle = 0。 由于 1(1)|1^{(1)}\rangle 仅包含 3|3\rangle5|5\rangle1(1)Q0=0\langle 1^{(1)} | Q | 0 \rangle = 0。 计算 1Q0(1)\langle 1 | Q | 0^{(1)} \rangle1Q0(1)=1a2ω(λ28(κA+κB+6)2)=λ42ω(κA+κB+6)=0    κA+κB=6\langle 1 | Q | 0^{(1)} \rangle = \langle 1 | \frac{a}{\sqrt{2\omega}} \left( - \lambda \frac{\sqrt{2}}{8} (\kappa_A + \kappa_B + 6) |2\rangle \right) = -\frac{\lambda}{4\sqrt{2\omega}} (\kappa_A + \kappa_B + 6) = 0 \implies \kappa_A + \kappa_B = -6 联立两方程解得: κA=0,κB=6\boxed{\kappa_A = 0, \quad \kappa_B = -6}

d) d=1d=1 维量子场论视角的传播子修正

d=1d=1 维 QFT 中(采用度规使得 k2=k02k^2 = -k_0^2),自由传播子为 Δ(k2)=1k2+ω2\Delta(k^2) = \frac{1}{k^2 + \omega^2}。 相互作用顶点为 24iλω3-24 i \lambda \omega^3(来自 λω3q4-\lambda \omega^3 q^4)。 反项作用量为 Sct=dt(12κAλq˙212κBλω2q2)S_{ct} = \int dt (\frac{1}{2} \kappa_A \lambda \dot{q}^2 - \frac{1}{2} \kappa_B \lambda \omega^2 q^2),对应的两点反项顶点为 i(κAλk2κBλω2)i(-\kappa_A \lambda k^2 - \kappa_B \lambda \omega^2)。 计算单圈自能 iΠloopi\Pi_{loop}(对称因子为 1/21/2): iΠloop=12(24iλω3)dk02π1i(k02+ω2iϵ)=12iλω3(12ω)=6iλω2    Πloop=6λω2i\Pi_{loop} = \frac{1}{2} (-24 i \lambda \omega^3) \int \frac{dk_0}{2\pi} \frac{1}{i(-k_0^2 + \omega^2 - i\epsilon)} = -12 i \lambda \omega^3 \left( \frac{1}{2\omega} \right) = -6 i \lambda \omega^2 \implies \Pi_{loop} = -6 \lambda \omega^2 反项自能为 Πct=κAλk2κBλω2\Pi_{ct} = -\kappa_A \lambda k^2 - \kappa_B \lambda \omega^2。 总自能为 Π(k2)=λκAk2λ(κB+6)ω2\Pi(k^2) = -\lambda \kappa_A k^2 - \lambda (\kappa_B + 6) \omega^2。 精确传播子为: Δ(k2)=1k2+ω2Π(k2)=1k2(1+λκA)+ω2(1+λ(κB+6))\boldsymbol{\Delta}(k^2) = \frac{1}{k^2 + \omega^2 - \Pi(k^2)} = \frac{1}{k^2(1 + \lambda \kappa_A) + \omega^2(1 + \lambda(\kappa_B + 6))} 要求传播子在 k2=ω2k^2 = -\omega^2 处有极点,即分母在此处为零: ω2(1+λκA)+ω2(1+λ(κB+6))=0    κAκB=6-\omega^2(1 + \lambda \kappa_A) + \omega^2(1 + \lambda(\kappa_B + 6)) = 0 \implies \kappa_A - \kappa_B = 6 要求该极点处的留数为 1,即分母对 k2k^2 的导数在极点处为 1: 1Π(ω2)=1+λκA=1    κA=01 - \Pi'(-\omega^2) = 1 + \lambda \kappa_A = 1 \implies \kappa_A = 0 由此解得: κA=0,κB=6\boxed{\kappa_A = 0, \quad \kappa_B = -6} 结论与物理意义: QFT 计算得到的结果与 (c) 部分完全一致。它们理应一致,因为 QFT 中的精确传播子 Δ(k2)\boldsymbol{\Delta}(k^2) 本质上是编时乘积 ΩTQ(t)Q(0)Ω\langle \Omega | T Q(t) Q(0) | \Omega \rangle 的傅里叶变换。根据 Källén-Lehmann 谱表示,传播子的单粒子极点位置严格对应于第一激发态与基态的精确能隙 EIEΩE_{\text{I}} - E_{\Omega},而该极点处的留数正比于跃迁矩阵元的模方 IQΩ2|\langle \text{I} | Q | \Omega \rangle|^2。因此,在 QFT 中固定极点位置和留数,在物理上完全等价于在量子力学中重整化激发能和坐标算符的矩阵元。