87.1

Problem 87.1

srednickiChapter 87

习题 87.1

来源: 第87章, PDF第531页


87.1 Find the generator QQ of the unbroken U(1)\text{U}(1) subgroup as a linear combination of the TaT^a's and YY.

习题 87.1 - 解答


在标准模型的电弱对称性破缺(Electroweak Symmetry Breaking)机制中,规范群 SU(2)L×U(1)Y\text{SU}(2)_L \times \text{U}(1)_Y 被希格斯场的真空期望值(VEV)自发破缺为剩余的电磁规范群 U(1)em\text{U}(1)_{\text{em}}

物理背景与生成元定义 SU(2)L\text{SU}(2)_L 群的生成元为 Ta=12σaT^a = \frac{1}{2}\sigma^aa=1,2,3a=1,2,3),其中 σa\sigma^a 为泡利矩阵。 U(1)Y\text{U}(1)_Y 群的生成元为弱超荷 YY。 希格斯场 φ\varphi 是一个 SU(2)L\text{SU}(2)_L 的复二重态(complex doublet),其弱超荷按惯例取为 Y=12Y = \frac{1}{2}。 希格斯场的真空期望值(VEV)选取为: φ=12(0v)\langle \varphi \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ v \end{pmatrix}

推导过程 未破缺的 U(1)em\text{U}(1)_{\text{em}} 子群的生成元 QQ 必须是 TaT^aYY 的线性组合,并且它必须湮灭真空态(即真空对该生成元保持不变)。设该生成元为: Q=c1T1+c2T2+c3T3+cYYQ = c_1 T^1 + c_2 T^2 + c_3 T^3 + c_Y Y 其中 c1,c2,c3,cYc_1, c_2, c_3, c_Y 为待定的实系数(因为物理的生成元必须是厄米算符)。

根据真空不变性条件,要求: Qφ=0Q \langle \varphi \rangle = 0

我们分别计算各个生成元作用在希格斯 VEV 上的结果: T1φ=12(0110)12(0v)=v22(10)T^1 \langle \varphi \rangle = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ v \end{pmatrix} = \frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} T2φ=12(0ii0)12(0v)=v22(i0)T^2 \langle \varphi \rangle = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ v \end{pmatrix} = \frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} -i \\ 0 \end{pmatrix} T3φ=12(1001)12(0v)=v22(01)=12φT^3 \langle \varphi \rangle = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ v \end{pmatrix} = \frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ -1 \end{pmatrix} = -\frac{1}{2} \langle \varphi \rangle Yφ=12φ=v22(01)Y \langle \varphi \rangle = \frac{1}{2} \langle \varphi \rangle = \frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix}

将上述结果代入 Qφ=0Q \langle \varphi \rangle = 0 的方程中: (c1T1+c2T2+c3T3+cYY)φ=0\left( c_1 T^1 + c_2 T^2 + c_3 T^3 + c_Y Y \right) \langle \varphi \rangle = 0 c1v22(10)+c2v22(i0)c3v22(01)+cYv22(01)=(00)c_1 \frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} + c_2 \frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} -i \\ 0 \end{pmatrix} - c_3 \frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix} + c_Y \frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix}

将上式合并写成列向量的形式: v22(c1ic2c3+cY)=(00)\frac{v}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} c_1 - i c_2 \\ -c_3 + c_Y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix}

为了使该向量为零,其上下两个分量必须同时为零:

  1. 对于上半部分量:c1ic2=0c_1 - i c_2 = 0。由于 c1c_1c2c_2 必须是实数,这要求 c1=0c_1 = 0c2=0c_2 = 0。这表明 T1T^1T2T^2 对应的对称性被完全破缺。
  2. 对于下半部分量:c3+cY=0-c_3 + c_Y = 0,这要求 c3=cYc_3 = c_Y

因此,未破缺的生成元 QQ 只能是 T3T^3YY 的等比例线性组合,即 Q(T3+Y)Q \propto (T^3 + Y)

为了符合电磁学中电荷的量子化惯例(例如使得希格斯二重态的上分量带 +1+1 电荷,下分量带 00 电荷,以及赋予电子 1-1 的电荷),我们选取归一化系数 c3=cY=1c_3 = c_Y = 1

最终得到未破缺的 U(1)\text{U}(1) 子群(即电磁 U(1)em\text{U}(1)_{\text{em}} 群)的生成元 QQ(电荷算符)为: Q=T3+Y\boxed{Q = T^3 + Y}

87.2

Problem 87.2

srednickiChapter 87

习题 87.2

来源: 第87章, PDF第531页


87.2 a) Ignoring loop corrections, find the numerical values of vv, g1g_1, and g2g_2. Take e2/4π=α(MZ)=1/127.9e^2/4\pi = \alpha(M_Z) = 1/127.9 and sin2θW=0.231\sin^2 \theta_{\text{W}} = 0.231.

b) The Fermi constant is defined (at tree level) as

GFe242sin2θWMW2.(87.29)G_{\text{F}} \equiv \frac{e^2}{4\sqrt{2} \sin^2 \theta_{\text{W}} M_{\text{W}}^2} . \tag{87.29}

Find its numerical value in GeV2\text{GeV}^{-2}.

c) Express GFG_{\text{F}} in terms of vv.

习题 87.2 - 解答


在标准模型电弱统一理论中,规范耦合常数 g1g_1(对应 U(1)YU(1)_Y)、g2g_2(对应 SU(2)LSU(2)_L)、基本电荷 ee 以及温伯格角(弱混合角)θW\theta_{\text{W}} 之间在树图阶(忽略圈图修正)满足以下基本关系: e=g1cosθW=g2sinθWe = g_1 \cos \theta_{\text{W}} = g_2 \sin \theta_{\text{W}} 规范玻色子的质量与希格斯场的真空期望值(VEV)vv 的关系为: MW=12g2v,MZ=12g12+g22v=MWcosθWM_{\text{W}} = \frac{1}{2} g_2 v, \quad M_{\text{Z}} = \frac{1}{2} \sqrt{g_1^2 + g_2^2} v = \frac{M_{\text{W}}}{\cos \theta_{\text{W}}}

已知输入参数为: α(MZ)=e24π=1127.9,sin2θW=0.231\alpha(M_Z) = \frac{e^2}{4\pi} = \frac{1}{127.9}, \quad \sin^2 \theta_{\text{W}} = 0.231 由于题目给定了 ZZ 玻色子质量尺度下的精细结构常数,我们需要引入 ZZ 玻色子的实验质量 MZ91.1876 GeVM_{\text{Z}} \approx 91.1876 \text{ GeV} 作为基准质量尺度来进行数值计算。


(a) 计算 vv, g1g_1, 和 g2g_2 的数值

首先,由精细结构常数计算基本电荷 eee=4π127.90.31345e = \sqrt{\frac{4\pi}{127.9}} \approx 0.31345

sin2θW=0.231\sin^2 \theta_{\text{W}} = 0.231,可得: sinθW=0.2310.48062\sin \theta_{\text{W}} = \sqrt{0.231} \approx 0.48062 cosθW=10.231=0.7690.87693\cos \theta_{\text{W}} = \sqrt{1 - 0.231} = \sqrt{0.769} \approx 0.87693

利用耦合常数关系,可以直接求出 g1g_1g2g_2g1=ecosθW=0.313450.876930.3574g_1 = \frac{e}{\cos \theta_{\text{W}}} = \frac{0.31345}{0.87693} \approx 0.3574 g2=esinθW=0.313450.480620.6522g_2 = \frac{e}{\sin \theta_{\text{W}}} = \frac{0.31345}{0.48062} \approx 0.6522

为了求出真空期望值 vv,我们利用 ZZ 玻色子的质量公式 MZ=v2g12+g22=ev2sinθWcosθWM_{\text{Z}} = \frac{v}{2} \sqrt{g_1^2 + g_2^2} = \frac{e v}{2 \sin \theta_{\text{W}} \cos \theta_{\text{W}}}v=2MZsinθWcosθWev = \frac{2 M_{\text{Z}} \sin \theta_{\text{W}} \cos \theta_{\text{W}}}{e} 代入 MZ=91.1876 GeVM_{\text{Z}} = 91.1876 \text{ GeV} 及前面求得的数值: v=2×91.1876×0.48062×0.876930.31345245.3 GeVv = \frac{2 \times 91.1876 \times 0.48062 \times 0.87693}{0.31345} \approx 245.3 \text{ GeV}

最终结果: v245.3 GeV,g10.357,g20.652\boxed{v \approx 245.3 \text{ GeV}, \quad g_1 \approx 0.357, \quad g_2 \approx 0.652}


(b) 计算费米常数 GFG_{\text{F}} 的数值

费米常数在树图阶的定义为: GFe242sin2θWMW2G_{\text{F}} \equiv \frac{e^2}{4\sqrt{2} \sin^2 \theta_{\text{W}} M_{\text{W}}^2} 在忽略圈图修正的情况下,我们需要使用树图阶的 WW 玻色子质量 MWM_{\text{W}}。由 MW=MZcosθWM_{\text{W}} = M_{\text{Z}} \cos \theta_{\text{W}} 可得: MW=91.1876×0.8769379.965 GeVM_{\text{W}} = 91.1876 \times 0.87693 \approx 79.965 \text{ GeV} (注:这与真实的物理质量 80.38 GeV80.38 \text{ GeV} 略有差异,正是因为我们忽略了圈图修正。)

将数值代入 GFG_{\text{F}} 的定义式: e2=4π127.90.09825e^2 = \frac{4\pi}{127.9} \approx 0.09825 GF=0.098254×2×0.231×(79.965)2G_{\text{F}} = \frac{0.09825}{4 \times \sqrt{2} \times 0.231 \times (79.965)^2} GF=0.098255.65685×0.231×6394.40.098258355.81.176×105 GeV2G_{\text{F}} = \frac{0.09825}{5.65685 \times 0.231 \times 6394.4} \approx \frac{0.09825}{8355.8} \approx 1.176 \times 10^{-5} \text{ GeV}^{-2}

最终结果: GF1.176×105 GeV2\boxed{G_{\text{F}} \approx 1.176 \times 10^{-5} \text{ GeV}^{-2}} (注:实验测量值为 1.166×105 GeV21.166 \times 10^{-5} \text{ GeV}^{-2},此处的偏差来源于题目要求的“忽略圈图修正”近似。)


(c) 将 GFG_{\text{F}}vv 表达出来

我们从 GFG_{\text{F}} 的定义式出发,利用电弱理论的基本关系进行化简。 已知 e=g2sinθWe = g_2 \sin \theta_{\text{W}},因此可以替换分子中的 e2e^2e2=g22sin2θWe^2 = g_2^2 \sin^2 \theta_{\text{W}} 将其代入 GFG_{\text{F}} 的表达式中: GF=g22sin2θW42sin2θWMW2=g2242MW2G_{\text{F}} = \frac{g_2^2 \sin^2 \theta_{\text{W}}}{4\sqrt{2} \sin^2 \theta_{\text{W}} M_{\text{W}}^2} = \frac{g_2^2}{4\sqrt{2} M_{\text{W}}^2} 再利用 WW 玻色子质量与真空期望值 vv 的关系 MW=12g2vM_{\text{W}} = \frac{1}{2} g_2 v,即 MW2=14g22v2M_{\text{W}}^2 = \frac{1}{4} g_2^2 v^2,代入分母: GF=g2242(14g22v2)G_{\text{F}} = \frac{g_2^2}{4\sqrt{2} \left( \frac{1}{4} g_2^2 v^2 \right)} 消去常数 44 和耦合常数 g22g_2^2,得到极其简洁的物理关系: GF=12v2G_{\text{F}} = \frac{1}{\sqrt{2} v^2} 这表明低能有效理论中的弱相互作用强度 GFG_{\text{F}} 完全由电弱对称性破缺的能标 vv 决定。

最终结果: GF=12v2\boxed{G_{\text{F}} = \frac{1}{\sqrt{2} v^2}}

87.3

Problem 87.3

srednickiChapter 87

习题 87.3

来源: 第87章, PDF第531页


87.3 In this problem we will work out the generator matrices introduced in section 86 for the case of the Standard Model.

a) Write the Higgs field as

φ=12(ϕ1+iϕ3ϕ2+iϕ4).(87.30)\varphi = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} \phi_1 + i\phi_3 \\ \phi_2 + i\phi_4 \end{pmatrix} . \tag{87.30}

where ϕi\phi_i is a real scalar field. Express the SU(2)\text{SU}(2) generators TaT^a and the hypercharge generator YY as 4×44 \times 4 matrices Ta\mathcal{T}^a and Y\mathcal{Y} that act on ϕi\phi_i. Hint: see problem 86.1.

b) Compute the matrix FaiF^a{}_i, defined in eq. (86.12).

c) Compute the mass-squared matrix for the vector fields, (M2)ab=FaiFbi(M^2)^{ab} = F^a{}_i F^b{}_i, and find its eigenvalues.


Referenced Equations:

Equation (86.12):

Fai(τa)ijvj.(86.12)F^a{}_i \equiv (\tau^a)_{ij} v_j . \tag{86.12}

习题 87.3 - 解答


(a) SU(2)\text{SU}(2) 和超荷生成元的 4×44 \times 4 矩阵表示

在标准模型中,Higgs 场是一个复二重态,其超荷为 Y=1/2Y = 1/2。它可以用四个实标量场 ϕi\phi_i 表示为:

φ=12(ϕ1+iϕ3ϕ2+iϕ4)\varphi = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} \phi_1 + i\phi_3 \\ \phi_2 + i\phi_4 \end{pmatrix}

在无穷小规范变换下,复数形式的 Higgs 场变换为 δφ=iθaTaφ+iθYYφ\delta \varphi = i \theta^a T^a \varphi + i \theta_Y Y \varphi,其中 Ta=12σaT^a = \frac{1}{2}\sigma^aSU(2)\text{SU}(2) 生成元,σa\sigma^a 为泡利矩阵。 对应地,实标量场向量 ϕ=(ϕ1,ϕ2,ϕ3,ϕ4)T\phi = (\phi_1, \phi_2, \phi_3, \phi_4)^T 的变换定义为 δϕi=θa(Ta)ijϕj+θYYijϕj\delta \phi_i = \theta^a (\mathcal{T}^a)_{ij} \phi_j + \theta_Y \mathcal{Y}_{ij} \phi_j。因此,我们可以通过比较实部和虚部,由 iTaφi T^a \varphiiYφi Y \varphi 提取出 4×44 \times 4 的实反对称矩阵 Ta\mathcal{T}^aY\mathcal{Y}

  1. 对于 T1=12(0110)T^1 = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}
iT1φ=i22(ϕ2+iϕ4ϕ1+iϕ3)=12(12ϕ4+i12ϕ212ϕ3+i12ϕ1)i T^1 \varphi = \frac{i}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} \phi_2 + i\phi_4 \\ \phi_1 + i\phi_3 \end{pmatrix} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} -\frac{1}{2}\phi_4 + i\frac{1}{2}\phi_2 \\ -\frac{1}{2}\phi_3 + i\frac{1}{2}\phi_1 \end{pmatrix}

提取实部和虚部得到 δϕ=(12ϕ4,12ϕ3,12ϕ2,12ϕ1)T\delta\phi = (-\frac{1}{2}\phi_4, -\frac{1}{2}\phi_3, \frac{1}{2}\phi_2, \frac{1}{2}\phi_1)^T,对应的矩阵为:

T1=12(0001001001001000)\mathcal{T}^1 = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
  1. 对于 T2=12(0ii0)T^2 = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix}
iT2φ=122(ϕ2+iϕ4ϕ1iϕ3)=12(12ϕ2+i12ϕ412ϕ1i12ϕ3)i T^2 \varphi = \frac{1}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} \phi_2 + i\phi_4 \\ -\phi_1 - i\phi_3 \end{pmatrix} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} \frac{1}{2}\phi_2 + i\frac{1}{2}\phi_4 \\ -\frac{1}{2}\phi_1 - i\frac{1}{2}\phi_3 \end{pmatrix}

提取得到 δϕ=(12ϕ2,12ϕ1,12ϕ4,12ϕ3)T\delta\phi = (\frac{1}{2}\phi_2, -\frac{1}{2}\phi_1, \frac{1}{2}\phi_4, -\frac{1}{2}\phi_3)^T,对应的矩阵为:

T2=12(0100100000010010)\mathcal{T}^2 = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ -1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & -1 & 0 \end{pmatrix}
  1. 对于 T3=12(1001)T^3 = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}
iT3φ=i22(ϕ1+iϕ3ϕ2iϕ4)=12(12ϕ3+i12ϕ112ϕ4i12ϕ2)i T^3 \varphi = \frac{i}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} \phi_1 + i\phi_3 \\ -\phi_2 - i\phi_4 \end{pmatrix} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} -\frac{1}{2}\phi_3 + i\frac{1}{2}\phi_1 \\ \frac{1}{2}\phi_4 - i\frac{1}{2}\phi_2 \end{pmatrix}

提取得到 δϕ=(12ϕ3,12ϕ4,12ϕ1,12ϕ2)T\delta\phi = (-\frac{1}{2}\phi_3, \frac{1}{2}\phi_4, \frac{1}{2}\phi_1, -\frac{1}{2}\phi_2)^T,对应的矩阵为:

T3=12(0010000110000100)\mathcal{T}^3 = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & 0 & 0 \end{pmatrix}
  1. 对于 Y=12(1001)Y = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
iYφ=i22(ϕ1+iϕ3ϕ2+iϕ4)=12(12ϕ3+i12ϕ112ϕ4+i12ϕ2)i Y \varphi = \frac{i}{2\sqrt{2}} \begin{pmatrix} \phi_1 + i\phi_3 \\ \phi_2 + i\phi_4 \end{pmatrix} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} -\frac{1}{2}\phi_3 + i\frac{1}{2}\phi_1 \\ -\frac{1}{2}\phi_4 + i\frac{1}{2}\phi_2 \end{pmatrix}

提取得到 δϕ=(12ϕ3,12ϕ4,12ϕ1,12ϕ2)T\delta\phi = (-\frac{1}{2}\phi_3, -\frac{1}{2}\phi_4, \frac{1}{2}\phi_1, \frac{1}{2}\phi_2)^T,对应的矩阵为:

Y=12(0010000110000100)\mathcal{Y} = \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}

(b) 计算矩阵 FaiF^a{}_i

在标准模型中,协变导数为 Dμφ=μφigWμaTaφigBμYφD_\mu \varphi = \partial_\mu \varphi - i g W_\mu^a T^a \varphi - i g' B_\mu Y \varphi。 将其写为实标量场的形式 Dμϕi=μϕi+AμA(τA)ijϕjD_\mu \phi_i = \partial_\mu \phi_i + A_\mu^A (\tau^A)_{ij} \phi_j,其中规范场合并记为 AμA=(Wμ1,Wμ2,Wμ3,Bμ)A_\mu^A = (W_\mu^1, W_\mu^2, W_\mu^3, B_\mu),对应的包含耦合常数的生成元矩阵为:

τ1=gT1,τ2=gT2,τ3=gT3,τ4=gY\tau^1 = -g \mathcal{T}^1, \quad \tau^2 = -g \mathcal{T}^2, \quad \tau^3 = -g \mathcal{T}^3, \quad \tau^4 = -g' \mathcal{Y}

Higgs 场的真空期望值 (VEV) 为 φ=12(0v)\langle \varphi \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ v \end{pmatrix},对应的实向量为 vj=(0,v,0,0)Tv_j = (0, v, 0, 0)^T。 根据定义 FAi(τA)ijvjF^A{}_i \equiv (\tau^A)_{ij} v_j,我们只需提取每个矩阵 τA\tau^A 的第二列并乘以 vv

  • F1i=g(T1)i2v=gv2δi3F^1{}_i = -g (\mathcal{T}^1)_{i2} v = -g \frac{v}{2} \delta_{i3}
  • F2i=g(T2)i2v=gv2δi1F^2{}_i = -g (\mathcal{T}^2)_{i2} v = -g \frac{v}{2} \delta_{i1}
  • F3i=g(T3)i2v=gv2δi4F^3{}_i = -g (\mathcal{T}^3)_{i2} v = g \frac{v}{2} \delta_{i4}
  • F4i=g(Y)i2v=gv2δi4F^4{}_i = -g' (\mathcal{Y})_{i2} v = -g' \frac{v}{2} \delta_{i4}

FAiF^A{}_i 写成 4×44 \times 4 矩阵(行索引为规范场 A=1,2,3,4A=1,2,3,4,列索引为标量场 i=1,2,3,4i=1,2,3,4):

F=v2(00g0g000000g000g)F = \frac{v}{2} \begin{pmatrix} 0 & 0 & -g & 0 \\ -g & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & g \\ 0 & 0 & 0 & -g' \end{pmatrix}

(c) 计算矢量场的质量平方矩阵 (M2)ab(M^2)^{ab} 及其本征值

矢量场的质量平方矩阵由 (M2)AB=FAiFBi=(FFT)AB(M^2)^{AB} = F^A{}_i F^B{}_i = (F F^T)^{AB} 给出:

M2=v24(00g0g000000g000g)(0g000000g00000gg)M^2 = \frac{v^2}{4} \begin{pmatrix} 0 & 0 & -g & 0 \\ -g & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & g \\ 0 & 0 & 0 & -g' \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & -g & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ -g & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & g & -g' \end{pmatrix}

执行矩阵乘法,得到:

M2=v24(g20000g20000g2gg00ggg2)\boxed{ M^2 = \frac{v^2}{4} \begin{pmatrix} g^2 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & g^2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & g^2 & -gg' \\ 0 & 0 & -gg' & g'^2 \end{pmatrix} }

本征值求解: 该矩阵是块对角化的。

  1. 左上角的 2×22 \times 2 块是对角阵,直接给出两个简并的本征值: λ1=λ2=g2v24\lambda_1 = \lambda_2 = \frac{g^2 v^2}{4} (物理上对应于 W±W^\pm 玻色子的质量平方 MW2M_W^2)

  2. 右下角的 2×22 \times 2 块为 v24(g2ggggg2)\frac{v^2}{4} \begin{pmatrix} g^2 & -gg' \\ -gg' & g'^2 \end{pmatrix}。其迹为 Tr=v24(g2+g2)\text{Tr} = \frac{v^2}{4}(g^2 + g'^2),行列式为 det=0\det = 0。因此特征方程 λ2Trλ+det=0\lambda^2 - \text{Tr}\cdot\lambda + \det = 0 给出的另外两个本征值为: λ3=(g2+g2)v24,λ4=0\lambda_3 = \frac{(g^2 + g'^2)v^2}{4}, \quad \lambda_4 = 0 (物理上分别对应于 ZZ 玻色子的质量平方 MZ2M_Z^2 和无质量的光子 AA)

综上,质量平方矩阵的本征值为:

λ=g2v24,g2v24,(g2+g2)v24,0\boxed{ \lambda = \frac{g^2 v^2}{4}, \quad \frac{g^2 v^2}{4}, \quad \frac{(g^2 + g'^2)v^2}{4}, \quad 0 }
87.4

Problem 87.4

srednickiChapter 87

习题 87.4

来源: 第87章, PDF第531页


87.4 Work out the Feynman rules for the lagrangian of eq. (87.27).


Referenced Equations:

Equation (87.27):

L=14FμνFμν14ZμνZμνDμWνDμWν++DμWνDνWμ++ie(Fμν+cotθWZμν)Wμ+Wν12(e2/sin2θW)(W+μWμW+νWνW+μWμ+WνWν)(MW2W+μWμ+12MZ2ZμZμ)(1+v1H)212μHμH12mH2H212mH2v1H318mH2v2H4,(87.27)\begin{aligned} \mathcal{L} = &-\frac{1}{4} F^{\mu\nu} F_{\mu\nu} - \frac{1}{4} Z^{\mu\nu} Z_{\mu\nu} - D^\dagger \mu W^{-\nu} D_\mu W_\nu^+ + D^\dagger \mu W^{-\nu} D_\nu W_\mu^+ \\ &+ ie(F^{\mu\nu} + \cot \theta_{\text{W}} Z^{\mu\nu}) W_\mu^+ W_\nu^- \\ &- \frac{1}{2} (e^2 / \sin^2 \theta_{\text{W}}) (W^{+\mu} W_\mu^- W^{+\nu} W_\nu^- - W^{+\mu} W_\mu^+ W^{-\nu} W_\nu^-) \\ &- (M_{\text{W}}^2 W^{+\mu} W_\mu^- + \frac{1}{2} M_{\text{Z}}^2 Z^\mu Z_\mu) (1 + v^{-1} H)^2 \\ &- \frac{1}{2} \partial^\mu H \partial_\mu H - \frac{1}{2} m_{\text{H}}^2 H^2 - \frac{1}{2} m_{\text{H}}^2 v^{-1} H^3 - \frac{1}{8} m_{\text{H}}^2 v^{-2} H^4 , \end{aligned} \tag{87.27}

习题 87.4 - 解答


为了求出拉格朗日量 (87.27) 对应的费曼规则,我们需要将其按场变量的幂次展开,提取出二次项(用于确定传播子)以及三次和四次相互作用项(用于确定顶点)。在动量空间中,导数替换为 μipμ\partial_\mu \to i p_\mu(约定所有动量 pp 均为流入顶点的动量),并将相互作用项 Lint\mathcal{L}_{\text{int}} 乘以 ii,同时对全同粒子的排列进行对称化(即乘以对称因子)。

1. 传播子 (Propagators)

从拉格朗日量中提取所有场的二次项(动能项与质量项): Lquad=14FμνFμν14ZμνZμνμWνμW+ν+μWννW+μMW2W+μWμ12MZ2ZμZμ12μHμH12mH2H2\mathcal{L}_{\text{quad}} = -\frac{1}{4} F^{\mu\nu} F_{\mu\nu} - \frac{1}{4} Z^{\mu\nu} Z_{\mu\nu} - \partial_\mu W_\nu^- \partial^\mu W^{+\nu} + \partial_\mu W_\nu^- \partial^\nu W^{+\mu} - M_{\text{W}}^2 W^{+\mu} W_\mu^- - \frac{1}{2} M_{\text{Z}}^2 Z^\mu Z_\mu - \frac{1}{2} \partial^\mu H \partial_\mu H - \frac{1}{2} m_{\text{H}}^2 H^2 在幺正规范(Unitary gauge)下,没有 Goldstone 玻色子,规范玻色子 WWZZ 获得质量。光子 AA 保持无质量,通常采用 Feynman 规范。由此可得各粒子的传播子: Higgs H:ip2+mH2iϵ\boxed{ \text{Higgs } H: \quad \frac{-i}{p^2 + m_{\text{H}}^2 - i\epsilon} } Photon A:igμνk2iϵ\boxed{ \text{Photon } A: \quad \frac{-i g_{\mu\nu}}{k^2 - i\epsilon} } Z boson Z:ik2+MZ2iϵ(gμν+kμkνMZ2)\boxed{ \text{Z boson } Z: \quad \frac{-i}{k^2 + M_{\text{Z}}^2 - i\epsilon} \left( g_{\mu\nu} + \frac{k_\mu k_\nu}{M_{\text{Z}}^2} \right) } W boson W±:ik2+MW2iϵ(gμν+kμkνMW2)\boxed{ \text{W boson } W^\pm: \quad \frac{-i}{k^2 + M_{\text{W}}^2 - i\epsilon} \left( g_{\mu\nu} + \frac{k_\mu k_\nu}{M_{\text{W}}^2} \right) }

2. Higgs 自相互作用顶点 (Higgs Self-Interactions)

从拉格朗日量中提取纯 HH 的高次项: LH=12mH2v1H318mH2v2H4\mathcal{L}_{H} = - \frac{1}{2} m_{\text{H}}^2 v^{-1} H^3 - \frac{1}{8} m_{\text{H}}^2 v^{-2} H^4 对于 H3H^3 顶点,有 3!=63! = 6 种收缩方式;对于 H4H^4 顶点,有 4!=244! = 24 种收缩方式。乘以 ii 后得到: H(p1)H(p2)H(p3):3imH2v\boxed{ H(p_1) H(p_2) H(p_3): \quad -3i \frac{m_{\text{H}}^2}{v} } H(p1)H(p2)H(p3)H(p4):3imH2v2\boxed{ H(p_1) H(p_2) H(p_3) H(p_4): \quad -3i \frac{m_{\text{H}}^2}{v^2} }

3. Higgs 与规范玻色子的相互作用 (Higgs-Gauge Interactions)

提取包含 HH 和规范玻色子的交叉项: LHVV=(MW2W+μWμ+12MZ2ZμZμ)(2v1H+v2H2)\mathcal{L}_{HVV} = - \left( M_{\text{W}}^2 W^{+\mu} W_\mu^- + \frac{1}{2} M_{\text{Z}}^2 Z^\mu Z_\mu \right) (2 v^{-1} H + v^{-2} H^2) 对于 ZZ 玻色子,由于是实场,存在全同粒子对称因子 2!=22! = 2;对于 H2H^2 同样有对称因子 2!=22! = 2W±W^\pm 是复场,无额外对称因子。 HWμ+Wν:2iMW2vgμν\boxed{ H W^+_\mu W^-_\nu: \quad -2i \frac{M_{\text{W}}^2}{v} g_{\mu\nu} } HZμZν:2iMZ2vgμν\boxed{ H Z_\mu Z_\nu: \quad -2i \frac{M_{\text{Z}}^2}{v} g_{\mu\nu} } HHWμ+Wν:2iMW2v2gμν\boxed{ H H W^+_\mu W^-_\nu: \quad -2i \frac{M_{\text{W}}^2}{v^2} g_{\mu\nu} } HHZμZν:2iMZ2v2gμν\boxed{ H H Z_\mu Z_\nu: \quad -2i \frac{M_{\text{Z}}^2}{v^2} g_{\mu\nu} }

4. 三线规范玻色子相互作用 (Triple Gauge Interactions)

三线顶点来源于 WW 玻色子的协变导数动能项以及反常磁矩项。协变导数定义为 DμWν+=(μieAμiecotθWZμ)Wν+D_\mu W_\nu^+ = (\partial_\mu - i e A_\mu - i e \cot\theta_{\text{W}} Z_\mu) W_\nu^+。令 V{A,Z}V \in \{A, Z\},其耦合常数分别为 gA=eg_A = egZ=ecotθWg_Z = e \cot\theta_{\text{W}}。 提取包含一个 VV 和两个 WW 的项: LWWV=igV[(μWν)VμW+νVμWν(μW+ν)(μWν)VνW+μ+VμWν(νW+μ)+(μVννVμ)Wμ+Wν]\mathcal{L}_{WWV} = i g_V \left[ (\partial_\mu W_\nu^-) V^\mu W^{+\nu} - V_\mu W_\nu^- (\partial^\mu W^{+\nu}) - (\partial_\mu W_\nu^-) V^\nu W^{+\mu} + V_\mu W_\nu^- (\partial^\nu W^{+\mu}) + (\partial^\mu V^\nu - \partial^\nu V^\mu) W_\mu^+ W_\nu^- \right]Vρ(k)V_\rho(k)Wμ+(p+)W^+_\mu(p_+)Wν(p)W^-_\nu(p_-) 的动量均流入顶点,即 k+p++p=0k + p_+ + p_- = 0。代入 ip\partial \to i p,并乘以 iiVertex=i(igV)[(ipρ)gμν(ip+ρ)gμν(ipμ)gρν+(ip+ν)gρμ+(ikμ)gρν(ikν)gρμ]\text{Vertex} = i (i g_V) \left[ (i p_{-\rho}) g_{\mu\nu} - (i p_{+\rho}) g_{\mu\nu} - (i p_{-\mu}) g_{\rho\nu} + (i p_{+\nu}) g_{\rho\mu} + (i k_\mu) g_{\rho\nu} - (i k_\nu) g_{\rho\mu} \right] 化简并利用动量守恒消去部分项,可得标准的完全反对称循环结构: Aρ(k)Wμ+(p+)Wν(p):ie[gμν(p+p)ρ+gρν(pk)μ+gρμ(kp+)ν]\boxed{ A_\rho(k) W^+_\mu(p_+) W^-_\nu(p_-): \quad ie \left[ g_{\mu\nu}(p_+ - p_-)_\rho + g_{\rho\nu}(p_- - k)_\mu + g_{\rho\mu}(k - p_+)_\nu \right] } Zρ(k)Wμ+(p+)Wν(p):iecotθW[gμν(p+p)ρ+gρν(pk)μ+gρμ(kp+)ν]\boxed{ Z_\rho(k) W^+_\mu(p_+) W^-_\nu(p_-): \quad ie \cot\theta_{\text{W}} \left[ g_{\mu\nu}(p_+ - p_-)_\rho + g_{\rho\nu}(p_- - k)_\mu + g_{\rho\mu}(k - p_+)_\nu \right] }

5. 四线规范玻色子相互作用 (Quartic Gauge Interactions)

四线顶点来源于协变导数中的 V2W2V^2 W^2 项以及显式的 W4W^4 项。 对于 WWVVW W V V 相互作用,拉格朗日量中的对应项为: LWWVV=gVgVVμVμWνW+ν+gVgVVμVνWνW+μ\mathcal{L}_{WWVV} = - g_V g_{V'} V_\mu V'^\mu W_\nu^- W^{+\nu} + g_V g_{V'} V_\mu V'^\nu W_\nu^- W^{+\mu} 对于全同的 VV 场(如 AAAAZZZZ),需要乘以对称因子 2!=22! = 2。将指标收缩并乘以 ii 后,得到通用的张量结构 igVgV(2gμνgρσgμρgνσgμσgνρ)-i g_V g_{V'} (2g_{\mu\nu}g_{\rho\sigma} - g_{\mu\rho}g_{\nu\sigma} - g_{\mu\sigma}g_{\nu\rho})

对于纯 WW 的四线相互作用: LWWWW=e22sin2θW(W+μWμW+νWνW+μWμ+WνWν)\mathcal{L}_{WWWW} = - \frac{e^2}{2 \sin^2 \theta_{\text{W}}} (W^{+\mu} W_\mu^- W^{+\nu} W_\nu^- - W^{+\mu} W_\mu^+ W^{-\nu} W_\nu^-) 对两个 W+W^+ 和两个 WW^- 的所有可能收缩方式求和,第一项产生 2gμρgνσ+2gμσgνρ2g_{\mu\rho}g_{\nu\sigma} + 2g_{\mu\sigma}g_{\nu\rho},第二项产生 4gμνgρσ4g_{\mu\nu}g_{\rho\sigma}。 综合以上分析,四线规范顶点的费曼规则为: Wμ+Wν+WρWσ:ie2sin2θW(2gμνgρσgμρgνσgμσgνρ)\boxed{ W^+_\mu W^+_\nu W^-_\rho W^-_\sigma: \quad i \frac{e^2}{\sin^2\theta_{\text{W}}} (2g_{\mu\nu}g_{\rho\sigma} - g_{\mu\rho}g_{\nu\sigma} - g_{\mu\sigma}g_{\nu\rho}) } AρAσWμ+Wν:ie2(2gμνgρσgμρgνσgμσgνρ)\boxed{ A_\rho A_\sigma W^+_\mu W^-_\nu: \quad -ie^2 (2g_{\mu\nu}g_{\rho\sigma} - g_{\mu\rho}g_{\nu\sigma} - g_{\mu\sigma}g_{\nu\rho}) } ZρZσWμ+Wν:ie2cot2θW(2gμνgρσgμρgνσgμσgνρ)\boxed{ Z_\rho Z_\sigma W^+_\mu W^-_\nu: \quad -ie^2 \cot^2\theta_{\text{W}} (2g_{\mu\nu}g_{\rho\sigma} - g_{\mu\rho}g_{\nu\sigma} - g_{\mu\sigma}g_{\nu\rho}) } AρZσWμ+Wν:ie2cotθW(2gμνgρσgμρgνσgμσgνρ)\boxed{ A_\rho Z_\sigma W^+_\mu W^-_\nu: \quad -ie^2 \cot\theta_{\text{W}} (2g_{\mu\nu}g_{\rho\sigma} - g_{\mu\rho}g_{\nu\sigma} - g_{\mu\sigma}g_{\nu\rho}) }

87.5

Problem 87.5

srednickiChapter 87

习题 87.5

来源: 第87章, PDF第531页


87.5 Assume that mH>2MZm_{\text{H}} > 2M_{\text{Z}}, and compute (at tree level) the decay rate of the Higgs boson into W+WW^+W^- and Z0Z0Z^0Z^0 pairs. Express your answer in GeV for mH=200 GeVm_{\text{H}} = 200 \text{ GeV}.

习题 87.5 - 解答


习题分析与物理背景

在标准模型中,当希格斯玻色子(Higgs boson)的质量 mH>2MZ>2MWm_{\text{H}} > 2M_{\text{Z}} > 2M_{\text{W}} 时,其衰变为一对在壳(on-shell)的规范玻色子 W+WW^+W^-Z0Z0Z^0Z^0 在运动学上是允许的。这两个过程在树图阶(tree level)由希格斯机制直接给出的 HVVHVV 相互作用顶点主导。

根据标准模型自发对称性破缺后的拉格朗日量,希格斯场与规范玻色子的相互作用项为: L2MW2vHWμ+Wμ+MZ2vHZμZμ\mathcal{L} \supset \frac{2M_{\text{W}}^2}{v} H W_\mu^+ W^{-\mu} + \frac{M_{\text{Z}}^2}{v} H Z_\mu Z^\mu 其中 v=(2GF)1/2246 GeVv = (\sqrt{2}G_{\text{F}})^{-1/2} \approx 246 \text{ GeV} 是真空期望值。由此可得对应的费曼规则(注意 Z0Z^0 是全同粒子,求导时会产生额外的对称性因子 2): 顶点 HWW:i2MW2vgμν\text{顶点 } HWW: \quad i \frac{2M_{\text{W}}^2}{v} g_{\mu\nu} 顶点 HZZ:i2MZ2vgμν\text{顶点 } HZZ: \quad i \frac{2M_{\text{Z}}^2}{v} g_{\mu\nu} 因此,对于 V=W,ZV = W, Z,顶点因子均可统一写为 i2MV2vgμνi \frac{2M_V^2}{v} g_{\mu\nu}


衰变率公式推导

设过程为 H(p)V(p1)+V(p2)H(p) \to V(p_1) + V(p_2),其树图阶不变振幅为: M=2MV2vgμνϵ1μ(p1)ϵ2ν(p2)\mathcal{M} = \frac{2M_V^2}{v} g_{\mu\nu} \epsilon_1^{*\mu}(p_1) \epsilon_2^{*\nu}(p_2) 对末态极化求和并取模平方,利用大质量矢量玻色子的极化求和公式 ϵμϵα=gμα+pμpαMV2\sum \epsilon^\mu \epsilon^{*\alpha} = -g^{\mu\alpha} + \frac{p^\mu p^\alpha}{M_V^2},可得: M2=4MV4v2(gμα+p1μp1αMV2)(gμα+p2μp2αMV2)|\mathcal{M}|^2 = \frac{4M_V^4}{v^2} \left( -g^{\mu\alpha} + \frac{p_1^\mu p_1^\alpha}{M_V^2} \right) \left( -g_{\mu\alpha} + \frac{p_{2\mu} p_{2\alpha}}{M_V^2} \right) 展开张量收缩: M2=4MV4v2[4p12MV2p22MV2+(p1p2)2MV4]=4MV4v2[2+(p1p2)2MV4]|\mathcal{M}|^2 = \frac{4M_V^4}{v^2} \left[ 4 - \frac{p_1^2}{M_V^2} - \frac{p_2^2}{M_V^2} + \frac{(p_1 \cdot p_2)^2}{M_V^4} \right] = \frac{4M_V^4}{v^2} \left[ 2 + \frac{(p_1 \cdot p_2)^2}{M_V^4} \right] 由运动学关系 p=p1+p2p = p_1 + p_2,平方得 mH2=2MV2+2(p1p2)m_{\text{H}}^2 = 2M_V^2 + 2(p_1 \cdot p_2),故 p1p2=mH22MV22p_1 \cdot p_2 = \frac{m_{\text{H}}^2 - 2M_V^2}{2}。代入上式并定义无量纲参数 xV=MV2mH2x_V = \frac{M_V^2}{m_{\text{H}}^2}M2=4MV4v2[2+(mH22MV2)24MV4]=mH4v2(14xV+12xV2)|\mathcal{M}|^2 = \frac{4M_V^4}{v^2} \left[ 2 + \frac{(m_{\text{H}}^2 - 2M_V^2)^2}{4M_V^4} \right] = \frac{m_{\text{H}}^4}{v^2} \left( 1 - 4x_V + 12x_V^2 \right)

两体衰变相空间积分给出的衰变率公式为: Γ(HVV)=S16πmHM214MV2mH2\Gamma(H \to VV) = \frac{S}{16\pi m_{\text{H}}} |\mathcal{M}|^2 \sqrt{1 - \frac{4M_V^2}{m_{\text{H}}^2}} 其中 SS 为末态全同粒子对称因子(对于 W+WW^+W^-S=1S=1;对于 Z0Z0Z^0Z^0S=1/2S=1/2)。 将 M2|\mathcal{M}|^2v2=2GFv^{-2} = \sqrt{2}G_{\text{F}} 代入,得到解析表达式: Γ(HVV)=SGFmH38π214xV(14xV+12xV2)\Gamma(H \to VV) = S \frac{G_{\text{F}} m_{\text{H}}^3}{8\pi\sqrt{2}} \sqrt{1 - 4x_V} \left( 1 - 4x_V + 12x_V^2 \right)


数值计算

已知参数如下(采用标准模型 PDG 推荐值):

  • mH=200 GeVm_{\text{H}} = 200 \text{ GeV}
  • MW80.38 GeVM_{\text{W}} \approx 80.38 \text{ GeV}
  • MZ91.19 GeVM_{\text{Z}} \approx 91.19 \text{ GeV}
  • 费米常数 GF1.166×105 GeV2G_{\text{F}} \approx 1.166 \times 10^{-5} \text{ GeV}^{-2}

首先计算公共前置因子: Γ0=GFmH38π2=(1.166×105)×(200)38π22.625 GeV\Gamma_0 = \frac{G_{\text{F}} m_{\text{H}}^3}{8\pi\sqrt{2}} = \frac{(1.166 \times 10^{-5}) \times (200)^3}{8\pi\sqrt{2}} \approx 2.625 \text{ GeV}

(1) 计算 HW+WH \to W^+W^- 衰变率 (S=1S=1) 计算无量纲参数 xWx_{\text{W}}xW=(80.38200)20.1615x_{\text{W}} = \left(\frac{80.38}{200}\right)^2 \approx 0.1615 代入运动学因子: f(xW)=14(0.1615)[14(0.1615)+12(0.1615)2]f(x_{\text{W}}) = \sqrt{1 - 4(0.1615)} \left[ 1 - 4(0.1615) + 12(0.1615)^2 \right] f(xW)0.354×(0.354+0.313)0.595×0.6670.3969f(x_{\text{W}}) \approx \sqrt{0.354} \times (0.354 + 0.313) \approx 0.595 \times 0.667 \approx 0.3969 Γ(HW+W)=Γ0×f(xW)2.625×0.39691.042 GeV\Gamma(H \to W^+W^-) = \Gamma_0 \times f(x_{\text{W}}) \approx 2.625 \times 0.3969 \approx 1.042 \text{ GeV}

(2) 计算 HZ0Z0H \to Z^0Z^0 衰变率 (S=1/2S=1/2) 计算无量纲参数 xZx_{\text{Z}}xZ=(91.19200)20.2079x_{\text{Z}} = \left(\frac{91.19}{200}\right)^2 \approx 0.2079 代入运动学因子: f(xZ)=14(0.2079)[14(0.2079)+12(0.2079)2]f(x_{\text{Z}}) = \sqrt{1 - 4(0.2079)} \left[ 1 - 4(0.2079) + 12(0.2079)^2 \right] f(xZ)0.1684×(0.1684+0.5186)0.4104×0.68700.2820f(x_{\text{Z}}) \approx \sqrt{0.1684} \times (0.1684 + 0.5186) \approx 0.4104 \times 0.6870 \approx 0.2820 Γ(HZ0Z0)=12×Γ0×f(xZ)0.5×2.625×0.28200.370 GeV\Gamma(H \to Z^0Z^0) = \frac{1}{2} \times \Gamma_0 \times f(x_{\text{Z}}) \approx 0.5 \times 2.625 \times 0.2820 \approx 0.370 \text{ GeV}


最终结果

对于质量为 mH=200 GeVm_{\text{H}} = 200 \text{ GeV} 的希格斯玻色子,其衰变为 W+WW^+W^-Z0Z0Z^0Z^0 的树图阶衰变率分别为:

Γ(HW+W)1.04 GeV\boxed{\Gamma(H \to W^+W^-) \approx 1.04 \text{ GeV}} Γ(HZ0Z0)0.37 GeV\boxed{\Gamma(H \to Z^0Z^0) \approx 0.37 \text{ GeV}}