习题 52.2 - 解答
为了计算该理论在单圈水平下的 β 函数和反常标度向(anomalous dimensions),我们首先写出 d=4−ϵ 维下的重整化拉格朗日量。根据习题 51.3,理论包含一个 Dirac 费米子 Ψ 和一个实标量场 φ:
L=iZΨΨˉ∂Ψ−ZmmΨˉΨ−21Zφ∂μφ∂μφ−21ZM2M2φ2+Zggμ~ϵ/2φΨˉΨ+61Zκκμ~ϵ/2φ3+241Zλλμ~ϵφ4
其中 m 为费米子质量,M 为标量场质量。我们定义重整化常数 Zi=1+δi=1+ϵa1(i)。
1. 计算单圈发散与重整化常数
费米子自能 Σ(p)
费米子发射并吸收一个标量场的单圈图给出:
−iΣ(p)=∫(2π)dddk(ig)(p−k)2+m2−i(−p+k+m)(ig)k2+M2−i
提取发散部分(使用 Feynman 参数化和维数正规化):
Σ(p)⊃16π2ϵg2(21p−m)
由抵消项 iδΨp−iδmm−iΣ(p)=finite,得到:
δΨ=−32π2ϵg2,δm=−16π2ϵg2
注意,质量的 MS 重整化常数定义为 m0=ZmMSm=ZmZΨ−1m,因此:
ZmMS=1+δm−δΨ=1−32π2ϵg2
标量场自能 Π(k)
标量自能包含费米子圈、标量四次相互作用圈和标量三次相互作用圈:
- 费米子圈:−∫(2π)dddpTr[(ig)p2+m2−i(−p+m)(ig)(p+k)2+m2−i(−(p+k)+m)]⊃−i16π2ϵ4g2(k2+2m2)
- λ 标量圈:21(−iλ)∫(2π)dddpp2+M2−i⊃i16π2ϵλM2
- κ 标量圈:21(−iκ)2∫(2π)dddpp2+M2−i(p+k)2+M2−i⊃i16π2ϵκ2
总发散为 −iΠ(k)⊃−i16π2ϵ4g2k2+i16π2ϵ1(λM2+κ2−8g2m2)。
由抵消项 iδφk2−iδM2−iΠ(k)=finite,得到:
δφ=16π2ϵ4g2
δM2=M02Zφ−M2=16π2ϵ1(λM2+κ2−8g2m2)
从而标量质量平方的重整化常数 ZM2=M02/M2 为:
ZM2=1+16π2ϵ1(λ+M2κ2−8g2M2m2−4g2)
汤川顶点 φΨˉΨ
唯一的单圈发散图是标量交换图:
V1=∫(2π)dddk(ig)3(k2+m2)2(k2+M2)(−k+m)2⊃−ig316π2ϵ2
抵消项给出 δ1=16π2ϵ2g2。耦合常数 g 的重整化常数 Zg=Z1ZΨ−1Zφ−1/2 为:
Zg=1+δ1−δΨ−21δφ=1+16π2ϵ1(2−(−0.5)−2)g2=1+32π2ϵg2
标量四次顶点 λφ4
包含标量圈(3个通道)和费米子圈(6个排列):
- 标量圈:3×21(−iλ)2∫k2−ik2−i⊃i16π2ϵ3λ2
- 费米子圈:6×(−1)∫Tr[(ig)4(k2+m2−i(−k+m))4]⊃−i16π2ϵ48g4
由 −iδ4λ+V4=0 得到 δ4=16π2ϵ3λ−16π2ϵλ48g4。
Zλ=1+δ4−2δφ=1+16π2ϵ1(3λ−λ48g4−8g2)。
标量三次顶点 κφ3
包含标量圈(λ 与 κ 结合,3个图)和费米子圈(2个排列):
- 标量圈:3×21(−iλ)(−iκ)∫k2−ik2−i⊃i16π2ϵ3λκ
- 费米子圈:2×(−1)∫Tr[(ig)3(k2+m2−i(−k+m))3]⊃i16π2ϵ48g3m
由 −iδ3κ+V3=0 得到 δ3=16π2ϵ3λ+16π2ϵκ48g3m。
Zκ=1+δ3−23δφ=1+16π2ϵ1(3λ+κ48g3m−6g2)。
2. 反常标度向 (Anomalous Dimensions)
反常标度向的定义为 γϕ=21dlnμdlnZϕ(对场)和 γm=dlnμdlnm(对质量)。利用公式 γ=21∑icigi∂gi∂a1(场)和 γm=−∑icigi∂gi∂a1(m)(质量),其中 cg=1/2,cλ=1,cκ=1/2:
- 费米子场 Ψ: a1(Ψ)=−32π2g2
γΨ=21(21g∂g∂)(−32π2g2)=64π2g2
- 标量场 φ: a1(φ)=4π2g2
γφ=21(21g∂g∂)(4π2g2)=−8π2g2
- 费米子质量 m: a1(m)=−32π2g2
γm=−(−21g∂g∂)a1(m)=21g(−32π22g)=−32π2g2
- 标量场质量 M: γM=21γM2=2M21βM2。由于 M2 与 m2,κ2 混合,βM2=∑icigi∂gi∂(M2a1(M2))=M2a1(M2):
γM=21a1(M2)=32π21(λ+M2κ2−8g2M2m2−4g2)
3. Beta 函数
耦合常数的 β 函数由 βgi(1)=∑jcjgj∂gj∂(gia1(gi)) 给出:
-
汤川耦合 g: a1(g)=32π2g2
βg=(21g∂g∂)(g32π2g2)=32π2g3
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标量四次耦合 λ: λa1(λ)=16π21(3λ2−48g4−8g2λ)
βλ=(λ∂λ∂+21g∂g∂)16π23λ2−48g4−8g2λ
βλ=16π21[λ(6λ−8g2)+21g(−192g3−16gλ)]=16π21(6λ2−16g2λ−96g4)
-
标量三次耦合 κ: κa1(κ)=16π21(3λκ+48g3m−6g2κ)
βκ=(21g∂g∂+λ∂λ∂+21κ∂κ∂)16π23λκ+48g3m−6g2κ
βκ=16π21[21g(144g2m−12gκ)+λ(3κ)+21κ(3λ−6g2)]
βκ=16π21(29λκ−9g2κ+72g3m)