习题 28.3 - 解答
题目分析与物理背景
在拉格朗日密度中,调整 Y 是为了消除 φ 的真空期望值(即消除蝌蚪图)。对于 χ 场,拉格朗日量具有 χ→−χ 的 Z2 对称性。由于该对称性未被自发破缺(M2>0),χ 的真空期望值自然为零,即 ⟨0∣χ(x)∣0⟩=0。因此,量子修正不会产生 χ 的线性项,也就不需要为 χ 引入类似 Y 的抵消项。
(a) 计算 MS 方案下的单圈重整化常数 Z
设 Zi=1+δi。在 d=6−ε 维时空下,动量积分的极点由下式给出:
∫(2π)dddk(k2+Δ)21=(4π)3i(−ε2)+finite
∫(2π)dddk(k2+Δ)31=(4π)3iε1+finite
1. φ 场的自能与质量重整化 (Zφ,Zm)
φ 的单圈自能 −iΠφ(p2) 包含两个图:φ 循环(对称因子 1/2)和 χ 循环(对称因子 1/2)。
−iΠφ(p2)=21(ig)2∫(2π)dddk(k2+m2)((k+p)2+m2)(−i)2+21(ih)2∫(2π)dddk(k2+M2)((k+p)2+M2)(−i)2
提取发散部分(利用 Feynman 参数化 ∫01dx):
Πφ(p2)div=−(4π)3ε1[g2(61p2+m2)+h2(61p2+M2)]
抵消项顶点为 −i(δφp2+δmm2),要求 δφp2+δmm2=−Πφ(p2)div,得到:
δφ=6(4π)3εg2+h2,δm=m2(4π)3εg2m2+h2M2
2. χ 场的自能与质量重整化 (Zχ,ZM)
χ 的单圈自能包含一个由 φ 和 χ 构成的循环(对称因子 1)。
−iΠχ(p2)=(ih)2∫(2π)dddk(k2+m2)((k+p)2+M2)(−i)2
发散部分为:
Πχ(p2)div=−(4π)3ε2h2(61p2+21m2+21M2)
由 δχp2+δMM2=−Πχ(p2)div,得到:
δχ=3(4π)3εh2,δM=M2(4π)3εh2(m2+M2)
3. 顶点重整化 (Zg,Zh)
对于 φ3 顶点(树图为 ig),单圈修正包含 φ 循环(对称因子 1)和 χ 循环(对称因子 1):
Vg,div=(ig)3(4π)3εi+(ih)3(4π)3εi=i(4π)3εg3+h3
由 iδgg=−Vg,div 得 δg=−g(4π)3εg3+h3。
对于 φχ2 顶点(树图为 ih),单圈修正包含 φ-φ-χ 循环(对称因子 1)和 χ-χ-φ 循环(对称因子 1):
Vh,div=(ig)(ih)2(4π)3εi+(ih)3(4π)3εi=i(4π)3εgh2+h3
由 iδhh=−Vh,div 得 δh=−h(4π)3εgh2+h3。
综上,各 Z 因子为:
Zφ=1+6(4π)3εg2+h2,Zχ=1+3(4π)3εh2,Zm=1+m2(4π)3εg2m2+h2M2
ZM=1+M2(4π)3εh2(m2+M2),Zg=1−g(4π)3εg3+h3,Zh=1−h(4π)3εgh2+h3
(b) 证明 β 函数的微分方程
裸耦合常数与重整化耦合常数的关系为:
g0=gμ~ε/2eG(g,h,ε),h0=hμ~ε/2eH(g,h,ε)
两边取对数并对 lnμ 求导(要求裸耦合与 μ 无关,即 dg0/dμ=0):
0=g1μdμdg+2ε+∂g∂Gμdμdg+∂h∂Gμdμdh
将 μdμdg=−2εg+βg(0) 和 μdμdh=−2εh+βh(0) 代入上式,并展开 G=G1/ε+O(1/ε2):
0=gβg(0)+2ε−2ε−21(g∂g∂G1+h∂h∂G1)+O(1/ε)
要求 O(ε0) 项为零,即得:
βg(0)=21g(g∂g∂G1+h∂h∂G1)
同理对 h0 的方程展开可得 h 的对应关系。因此:
μdμdg=−21εg+21g(g∂g∂G1+h∂h∂G1)
μdμdh=−21εh+21h(g∂g∂H1+h∂h∂H1)
(c) 计算 βg 和 βh
根据定义 G=−23lnZφ+lnZg 和 H=−lnZφ−21lnZχ+lnZh,提取 1/ε 的系数:
G1=−23(6(4π)3g2+h2)−g(4π)3g3+h3=(4π)31(−45g2−41h2−gh3)
H1=−(6(4π)3g2+h2)−21(3(4π)3h2)−h(4π)3gh2+h3=(4π)31(−61g2−34h2−gh)
由于 G1 和 H1 都是关于 g,h 的二次齐次函数,由欧拉齐次函数定理可知 g∂g∂G1+h∂h∂G1=2G1。代入 (b) 的结果,取 ε→0 极限:
βg=gG1=(4π)31(−45g3−41gh2−h3)
βh=hH1=(4π)31(−61g2h−gh2−34h3)
(d) 耦合常数比值范围与物理意义
物理意义分析:
在拉格朗日量中,作场代换 φ→−φ 会同时改变 g→−g 和 h→−h,因此我们总可以约定 g>0。然而,χ→−χ 的代换会保持 h 不变(因为耦合项是 χ2)。这意味着 h 的符号无法独立于 g 被重新定义,因此 h/g 的相对符号具有实质的物理意义。
数值范围求解:
令 x=h/g。由于 g>0,要求 βg<0 且 βh/h<0,即:
- g3βg∝−45−41x2−x3<0⟹4x3+x2+5>0
- hg2βh∝−61−x−34x2<0⟹8x2+6x+1>0
解不等式 2:8x2+6x+1=(4x+1)(2x+1)>0,得到 x>−1/4 或 x<−1/2。
解不等式 1:设 P(x)=4x3+x2+5。由于 P(−1/2)=4.75>0 且 P(x) 只有一个实根 x1≈−1.168,故要求 x>x1。
取交集,得到满足条件的数值范围为:
gh∈(x1,−1/2)∪(−1/4,∞)
(其中 x1≈−1.168 是方程 4x3+x2+5=0 的唯一实根)
为什么这是一个有趣的问题?
当 βg<0 且 βh/h<0 时,随着能标 μ 的升高,两个耦合常数 g 和 h 都会流向零。这表明在该参数区域内,理论在紫外极限下是渐近自由 (Asymptotically Free) 的。这证明了即使在具有多个标量场和相互作用的 ϕ3 理论中,只要初始耦合常数比例落在特定范围内,理论在短距离处依然可以保持微扰上的良好定义。