习题 66.1 - 解答
为了计算旋量电动力学(QED)在 Feynman 规范(ξ=1)下的单圈反常维度 γm、γΨ(即 γ2)和 γA(即 γ3),我们采用维数正规化,设时空维数 d=4−ϵ。采用 (−+++) 度规约定(Srednicki 约定),此时 Dirac 矩阵满足 {γμ,γν}=−2gμν。
重整化常数定义为 Zi=1+δZi。在极点相消方案(MS/MS)中,反常维度由重整化常数中的 1/ϵ 极点决定。由于裸耦合常数 e0=μϵ/2Zee,在单圈近似下有重整化群方程 μdμde=−2ϵe。
1. 光子场的反常维度 γA
先分析光子的真空极化图(费米子圈)。其单圈振幅为:
iΠμν(k)=−(−ie)2∫(2π)dddpTr[γμp+m−iγνp+k+m−i]
有理化传播子 p+m−i=p2+m2i(p−m),代入并计算迹(在 d 维下 Tr[1]=4):
Tr[γμ(p−m)γν(p+k−m)]=4[pμ(p+k)ν+pν(p+k)μ−gμν(p⋅(p+k)+m2)]
引入 Feynman 参数 x,令 p=l−xk,分母变为 (l2+Δ)2,其中 Δ=x(1−x)k2+m2。
丢弃分子中关于 l 的奇数次项,并利用球对称性替换 lμlν→d1l2gμν,分子化简为:
4[(d2−1)l2gμν−2x(1−x)kμkν+gμν(x(1−x)k2−m2)]
下面计算发散部分(提取 1/ϵ 极点)。利用维数正规化积分公式:
∫(2π)dddl(l2+Δ)21=16π2iϵ2+finite
∫(2π)dddl(l2+Δ)2l2=−2dΔ16π2iϵ2+finite
代入分子,l2 项贡献了 +4Δgμν,与剩余项合并后,恰好提取出横向结构 (k2gμν−kμkν):
iΠdivμν(k)=−e216π2iϵ2∫01dx8x(1−x)(k2gμν−kμkν)
完成对 x 的积分 ∫01x(1−x)dx=61,得到:
iΠdivμν(k)=−i6π2ϵe2(k2gμν−kμkν)
为了抵消此发散,光子场波函数重整化抵消项为 −iδZ3(k2gμν−kμkν)。要求 iΠdivμν+iδZ3(…)=0,解得:
δZ3=6π2ϵe2
光子场的反常维度定义为 γA=21dlnμdlnZ3。利用 μdμd=−2ϵe∂e∂,我们有:
γA=21(−2ϵe)∂e∂(6π2ϵe2)=21(−2ϵe)(6π2ϵ2e)=−12π2e2
(注:若按 γA=−21dlnμdlnZ3 定义,则符号相反。此处采用标准导数定义)
γA=−12π2e2=−3πα
2. 费米子场反常维度 γΨ 与 质量反常维度 γm
分两步处理费米子自能图。在 Feynman 规范下,单圈自能振幅为:
−iΣ(p)=(ie)2∫(2π)dddkγμp−k+m−iγνk2−igμν
代入有理化的费米子传播子 (p−k)2+m2i(p−k−m),并利用 d 维 Dirac 代数 γμγμ=−d 以及 γμqγμ=(d−2)q,化简分子:
γμ(p−k−m)γμ=(d−2)(p−k)+dm
引入 Feynman 参数 x,令 k=l+xp,分母变为 (l2+Δ)2。分子中关于 l 的线性项积分后为零,代入 d=4−ϵ,分子变为:
(2−ϵ)(1−x)p+(4−ϵ)m
提取 1/ϵ 极点时,可直接取 ϵ→0 时的分子值,即 2(1−x)p+4m。积分给出:
−iΣdiv(p)=−e216π2iϵ2∫01dx[2(1−x)p+4m]=−i8π2ϵe2(p+4m)
即发散部分为:
Σdiv(p)=8π2ϵe2p+2π2ϵe2m
根据拉格朗日量 L=iZ2Ψˉ∂Ψ−Z2ZmmΨˉΨ,对应的抵消项顶点为 iδZ2p+i(δZ2+δZm)m。
要求单圈自能与抵消项之和有限,即 −iΣdiv+iδZ2p+i(δZ2+δZm)m=0。分离 p 和 m 的系数:
δZ2=8π2ϵe2
δZ2+δZm=2π2ϵe2⟹δZm=2π2ϵe2−8π2ϵe2=8π2ϵ3e2
现在计算反常维度。对于费米子场 Ψ:
γΨ=21dlnμdlnZ2=21(−2ϵe∂e∂)(8π2ϵe2)=−16π2e2
γΨ=−16π2e2=−4πα
对于质量 m(注意 Srednicki 约定中 γm≡dlnμdlnZm,这与部分教材中 γm=−dlnμdlnZm 差一个负号):
γm=dlnμdlnZm=(−2ϵe∂e∂)(8π2ϵ3e2)=−8π23e2
γm=−8π23e2=−2π3α