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文章笔记

Srednicki §51 汤川理论中的圈修正

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系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇

前几章已经给出费米子的传播子、顶角和外态规则,并用它们计算了树图。 现在将同样的规则用于圈图。重整化的思路仍与标量理论相同: 先找出对称性允许的局部项,再用质量、场归一和耦合的定义决定反项。 新的工作主要在分子上。标量圈的分子通常是数,费米圈却带着有序的gamma矩阵; 一条费米线闭合时,还会出现反对易关系带来的负号。 我们将先算两个传播子,再算两个相互作用顶角,看看这些变化怎样进入结果。

选取一个便于计算的理论

圈修正会产生哪些相互作用,可以先由量纲和对称性判断。 在四维中,动能项给出[φ]=1[\varphi]=1、[Ψ]=3/2[\Psi]=3/2, 所以系数具有非负质量量纲的纯标量项可以一直写到φ4\varphi^4。 对于原来的gφΨˉΨg\varphi\bar\Psi\Psi理论,φ\varphi在宇称下为偶, 线性项、三次项和四次项都不受对称性禁止。 即使起初把它们的系数设为零,圈积分也一般要求相应反项。

含费米子的候选项少得多。两个费米场已经占去三个质量维数, 因而最多再加一个导数或一个标量场。洛伦兹不变的动能、质量和原汤川项 已经在拉氏量中;赝标量质量iΨˉγ5Ψi\bar\Psi\gamma_5\Psi违反宇称, 而ΨTCΨ\Psi^T\mathcal C\Psi在Ψ↦eiαΨ\Psi\mapsto e^{i\alpha}\Psi下带有两单位相位, 违反狄拉克场的U(1)U(1)对称性。四费米项的维数为六,属于负量纲耦合。 分部积分后,这样便列尽了本节所需的局部项。

为了少处理两个新的标量耦合,我们改选

LYuk=igφΨˉγ5Ψ,P−1φ(x,t)P=−φ(−x,t).(51.1)\mathcal L_{\rm Yuk}=ig\varphi\bar\Psi\gamma_5\Psi,\qquad P^{-1}\varphi(\mathbf x,t)P=-\varphi(-\mathbf x,t). \tag{51.1}

iΨˉγ5Ψi\bar\Psi\gamma_5\Psi是厄米的赝标量,故实gg使相互作用厄米, 而φ\varphi的奇宇称使乘积为偶。现在φ\varphi和φ3\varphi^3都为奇, 只有φ4\varphi^4仍须加入。这里保留狄拉克的U(1)U(1)及相应离散对称性; 讨论围绕保持宇称的⟨φ⟩=0\langle\varphi\rangle=0真空进行。 第45—50章的标量汤川顶角为igig,本节则由iLYuki\mathcal L_{\rm Yuk} 得到−gγ5-g\gamma_5。这一改变会同时影响闭圈的迹和开链的分子。

将拉氏量分成自由部分和微扰部分:

L=L0+L1,L0=iΨˉ∂̸Ψ−mΨˉΨ−12∂μφ∂μφ−12M2φ2,L1=iZggφΨˉγ5Ψ−Zλλ4!φ4+Lct,Lct=iδZΨΨˉ∂̸Ψ−δZmmΨˉΨ−12δZφ(∂φ)2−12δZMM2φ2,δZj=Zj−1.(51.2)\begin{aligned} \mathcal L&=\mathcal L_0+\mathcal L_1,\\ \mathcal L_0&=i\bar\Psi\slashed\partial\Psi-m\bar\Psi\Psi -\frac12\partial^\mu\varphi\partial_\mu\varphi-\frac12M^2\varphi^2,\\ \mathcal L_1&=iZ_g g\varphi\bar\Psi\gamma_5\Psi -\frac{Z_\lambda\lambda}{4!}\varphi^4+\mathcal L_{\rm ct},\\ \mathcal L_{\rm ct} &=i\delta Z_\Psi\bar\Psi\slashed\partial\Psi -\delta Z_m m\bar\Psi\Psi -\frac12\delta Z_\varphi(\partial\varphi)^2 -\frac12\delta Z_M M^2\varphi^2,\qquad \delta Z_j=Z_j-1 . \end{aligned} \tag{51.2}

场与质量的四个反项将由两个传播子的极点位置和留数确定。 耦合则在外四动量为零时定义,使相应顶角等于树级值。 这是本节选取的在壳方案;只消去维数极点的MS‾\overline{\mathrm{MS}}方案 将在这些反项的有限部分作不同选择。

以下取m>0m>0及0<M<2m0<M<2m。于是赝标量不能衰变为电子–正电子对, 两个基本粒子在所讨论的微扰真空中都有孤立的单粒子极点。 圈积分沿既有约定取d=4−ϵd=4-\epsilon,并写

gd=μ~ϵ/2g,λd=μ~ϵλ,μ2=4πe−γEμ~2.(51.3)g_d=\widetilde\mu^{\epsilon/2}g,\qquad \lambda_d=\widetilde\mu^\epsilon\lambda,\qquad \mu^2=4\pi e^{-\gamma_E}\widetilde\mu^2 . \tag{51.3}

在dd维,[φ]=1−ϵ/2[\varphi]=1-\epsilon/2、[Ψ]=3/2−ϵ/2[\Psi]=3/2-\epsilon/2, 所以这两个尺度幂正好补回耦合的维数。 后面在顶角中提出共同的树级尺度幂,每个单圈积分便都带 μ~ϵ\widetilde\mu^\epsilon。我们保留各图的单圈贡献,包括有限部分, 并在最后令ϵ→0\epsilon\to0。

精确传播子的极点与连续谱

在计算反项之前,先说明它们要保持怎样的传播子。 第13节已从中间态求和推得实场的谱表示。 把那里的单粒子质量换成MM,并按LSZ要求归一化场,得到

Δ~(k2)=1k2+M2−i0+∫Mth2∞ds ρ(s)k2+s−i0,ρ(s)≥0,Mth=min⁡(2m,3M).(51.4)\widetilde{\boldsymbol\Delta}(k^2) =\frac1{k^2+M^2-i0} +\int_{M_{\rm th}^2}^\infty ds\,\frac{\rho(s)}{k^2+s-i0}, \qquad \rho(s)\ge0,\qquad M_{\rm th}=\min(2m,3M). \tag{51.4}

两个阈值分别来自费米子–反费米子和三个赝标量。 两个自旋零粒子若要由自旋零场产生,在质心系必须取轨道角动量L=0L=0。 两个赝标量的内禀宇称相乘为正,轨道因子(−1)L(-1)^L也为正, 因而不能与φ\varphi的奇宇称相接。三个赝标量则可以构成奇宇称的总自旋零态。 这给出本节微扰粒子谱中的最低连续阈值;若另有束缚态,谱中还须另列其极点。

将截去外传播子的单粒子不可约二点图之和记为iΠi\Pi。 第14节的几何级数于是给出

Δ~−1(k2)=k2+M2−i0−Π(k2),Π(−M2)=0,Π′(−M2)=0.(51.5)\widetilde{\boldsymbol\Delta}^{-1}(k^2) =k^2+M^2-i0-\Pi(k^2),\qquad \Pi(-M^2)=0,\qquad \Pi'(-M^2)=0 . \tag{51.5}

第一个条件保持极点在k2=−M2k^2=-M^2;在极点附近作一次泰勒展开, 分母的线性项为(k2+M2)[1−Π′(−M2)](k^2+M^2)[1-\Pi'(-M^2)], 所以第二个条件使留数为一。它们共同固定δZM\delta Z_M和δZφ\delta Z_\varphi, 包括两个有限部分。

费米子的谱表示需要两个实函数。为确定它们对应的洛伦兹结构,我们在矩阵元 ⟨0∣Ψa(x)Ψˉb(0)∣0⟩\langle0|\Psi_a(x)\bar\Psi_b(0)|0\rangle中插入完整态集, 再按中间态的总四动量qq和不变质量s=−q2s=-q^2分组。 平移不变性给出eiqxe^{iqx};自旋指标组成一个4×44\times4矩阵。 宇称守恒排除了γ5\gamma_5和q̸γ5\slashed q\gamma_5, 单个四动量又不能组成非零的反对称二阶张量。 因而只剩II与q̸\slashed q两种结构。将系数归一写成

W>(x):=⟨0∣Ψ(x)Ψˉ(0)∣0⟩=∫0∞ds∫d3q(2π)3 2ωs[−q̸ σ1(s)+s σ2(s)]eiqx,ωs=q2+s.(51.6)\begin{aligned} W_>(x)&:=\langle0|\Psi(x)\bar\Psi(0)|0\rangle\\ &=\int_0^\infty ds\int\frac{d^3q}{(2\pi)^3\,2\omega_s} \bigl[-\slashed q\,\sigma_1(s)+\sqrt{s}\,\sigma_2(s)\bigr]e^{iqx}, \qquad \omega_s=\sqrt{\mathbf q^2+s}. \end{aligned} \tag{51.6}

正性可以直接在中间态静止系看出。 把式(51.6)的谱分子记为R(q)R(q)。 乘上β=γ0\beta=\gamma^0后,中间态矩阵变成 ∑n⟨0∣Ψ∣n⟩⟨n∣Ψ†∣0⟩\sum_n\langle0|\Psi|n\rangle\langle n|\Psi^\dagger|0\rangle, 是正半定的。由于q=(s,0)q=(\sqrt{s},\mathbf0)时−q̸=sβ-\slashed q=\sqrt{s}\beta, 它的两组本征值为

R(q)β=s [σ1(s)I+σ2(s)β],s [σ1(s)±σ2(s)]≥0.(51.7)R(q)\beta=\sqrt{s}\,[\sigma_1(s)I+\sigma_2(s)\beta], \qquad \sqrt{s}\,[\sigma_1(s)\pm\sigma_2(s)]\ge0. \tag{51.7}

因此σ1≥∣σ2∣\sigma_1\ge|\sigma_2|,并非只需σ1≥σ2\sigma_1\ge\sigma_2。 有离散谱时,这一不等式理解为对两种非负谱测度 σ1+σ2\sigma_1+\sigma_2和σ1−σ2\sigma_1-\sigma_2的要求。

单位留数的单粒子贡献由∑susuˉs=−q̸+m\sum_su_s\bar u_s=-\slashed q+m给出, 故两函数都含δ(s−m2)\delta(s-m^2)。在本理论的电荷共轭关系下, 另一算符次序中的反粒子贡献将质量项变号,正如自由场的 ∑svsvˉs=−q̸−m\sum_sv_s\bar v_s=-\slashed q-m。 把这两个次序按费米子的时间排序合并,再对q0q^0作 第42节的极点积分,每个固定ss都给出质量为s\sqrt{s}的分母。 从σ1,2\sigma_{1,2}中分离单粒子δ\delta项,便得到

S~(p̸)=−p̸+mp2+m2−i0+∫mth2∞ds −p̸ ρ1(s)+s ρ2(s)p2+s−i0,ρ1(s)≥∣ρ2(s)∣,mth=m+M.(51.8)\begin{aligned} \widetilde{\boldsymbol S}(\slashed p) &=\frac{-\slashed p+m}{p^2+m^2-i0} +\int_{m_{\rm th}^2}^\infty ds\, \frac{-\slashed p\,\rho_1(s)+\sqrt{s}\,\rho_2(s)} {p^2+s-i0},\\ \rho_1(s)&\ge|\rho_2(s)|,\qquad m_{\rm th}=m+M . \end{aligned} \tag{51.8}

带一个单位狄拉克荷的中间态可以是一个费米子加一个赝标量, 其阈值为m+Mm+M。只由费米子和反费米子组成的下一种态至少含三个粒子, 阈值为3m3m;M<2mM<2m保证前者更低。 这也解释了为何费米谱不能从两个费米粒子开始。

为了把极点条件写得像标量情形一样简洁,将 z=p̸z=\slashed p视为解析变量。gamma代数给z2=−p2z^2=-p^2, 所以无穷小边界处的自由传播子可写成(z+m−i0)−1(z+m-i0)^{-1}, 物理极点在z=−mz=-m。这里的线性i0i0只规定靠近极点的边界方向。 若保留一个有限的正数δ\delta,精确的因子化应写成

ζδ(s)=s−iδ,Re⁡ζδ>0,(−z+ζδ)(z+ζδ)=p2+s−iδ.(51.9)\zeta_\delta(s)=\sqrt{s-i\delta},\quad \operatorname{Re}\zeta_\delta>0, \qquad (-z+\zeta_\delta)(z+\zeta_\delta)=p^2+s-i\delta . \tag{51.9}

展开ζδ=s−iδ/(2s)+O(δ2)\zeta_\delta=\sqrt{s}-i\delta/(2\sqrt{s})+O(\delta^2)后, 才能把每个线性因子记成相应的i0i0边界。 由于连续谱从mth>mm_{\rm th}>m开始, 它在孤立的单粒子极点附近解析,因而不影响下面的局部展开:

S~−1(z)=z+m−i0−Σ(z),Σ(−m)=0,Σ′(−m)=0.(51.10)\widetilde{\boldsymbol S}^{-1}(z)=z+m-i0-\Sigma(z), \qquad \Sigma(-m)=0,\qquad \Sigma'(-m)=0 . \tag{51.10}

iΣi\Sigma是截去外传播子的1PI费米二点图之和。 前一条件固定质量,后一条件固定留数,从而决定δZm\delta Z_m与δZΨ\delta Z_\Psi。 求导时必须同时使用p2=−z2p^2=-z^2;圈积分中的p2p^2不是独立于zz的变量。 这个细节将在费米自能的有限反项中产生一个质量平方因子。

标量自能:闭圈、迹与参数积分

现在开始计算。到单圈阶,标量二点函数有闭合费米圈、标量蝌蚪和二价反项三种贡献。 下图中实线箭头规定费米流,虚线表示赝标量:

标量二点函数的费米圈、标量蝌蚪和二价反项三种贡献

标量自能的三个贡献。闭圈的两段动量为ℓ\ell与ℓ+k\ell+k; 中图的两条圈端接在同一个四标量顶点,右图的叉号表示二价反项。

每个汤川顶角给−gγ5-g\gamma_5,每条内部费米线给S~/i\widetilde S/i, 每条闭合费米圈再给−1-1。这个号来自奇场的换序,下面用四次源求导把它写出。 把自旋指标沿闭链相接便形成迹,因此

iΠΨ(k2)=(−1)(−g)2(1/i)2∫d4ℓ(2π)4Tr⁡ ⁣[S~(ℓ+k)γ5S~(ℓ)γ5],S~(p)=−p̸+mp2+m2−i0.(51.11)\begin{aligned} i\Pi_\Psi(k^2) &=(-1)(-g)^2(1/i)^2 \int\frac{d^4\ell}{(2\pi)^4} \operatorname{Tr}\!\left[ \widetilde S(\ell+k)\gamma_5\widetilde S(\ell)\gamma_5\right],\\ \widetilde S(p)&=\frac{-\slashed p+m}{p^2+m^2-i0}. \end{aligned} \tag{51.11}

三个显式因子的乘积为+g2+g^2。 在圈图内令Zg=1Z_g=1已足够,因δZg\delta Z_g本身从更高耦合阶开始; 它在这幅图中的插入属于下一阶修正。 利用γ52=1\gamma_5^2=1及γ5ℓ̸=−ℓ̸γ5\gamma_5\slashed\ell=-\slashed\ell\gamma_5, 分子中的两个γ5\gamma_5先相消:

Tr⁡[(−ℓ̸−k̸+m)γ5(−ℓ̸+m)γ5]=Tr⁡[(−ℓ̸−k̸+m)(ℓ̸+m)]=4[(ℓ+k)⋅ℓ+m2]≡4N.(51.12)\begin{aligned} \operatorname{Tr}[(-\slashed\ell-\slashed k+m) \gamma_5(-\slashed\ell+m)\gamma_5] &=\operatorname{Tr}[(-\slashed\ell-\slashed k+m)(\slashed\ell+m)]\\ &=4[(\ell+k)\cdot\ell+m^2]\equiv4N . \end{aligned} \tag{51.12}

线性gamma项的迹为零;二次项使用 Tr⁡(a̸b̸)=−4a⋅b\operatorname{Tr}(\slashed a\slashed b)=-4a\cdot b, 与分子已有的负号相乘后成为正的内积。 本节先把这类成对的γ5\gamma_5消去,再对剩余迹作维数延拓, 并取Tr⁡I=4\operatorname{Tr}I=4。顶角计算也将只留下链末的一个γ5\gamma_5。 这样足以处理本节各图;它没有用到含一个γ5\gamma_5的闭迹, 也不把第47节的四维ϵ\epsilon迹公式延拓为任意dd维恒等式。

闭圈的负号可以在作动量积分以前确定。沿第43节的左导数规则,费米自由源泛函和插入为

ZF=eiηˉSη,Ψˉa⟷i∂ηaL,Ψb⟷1i∂ηˉbL.Z_F=e^{i\bar\eta S\eta},\qquad \bar\Psi_a\longleftrightarrow i\partial^L_{\eta_a},\qquad \Psi_b\longleftrightarrow\frac1i\partial^L_{\bar\eta_b}.

为同时处理标量和赝标量顶角,暂记双线性为ΨˉGΨ\bar\Psi G\Psi,其中GG是普通偶矩阵。令Bc(y)=(ηˉS)c(y)B_c(y)=(\bar\eta S)_c(y)、Cd(y)=(Sη)d(y)C_d(y)=(S\eta)_d(y);它们都是奇量。在第一个顶点依次作用两个左导数,得

∂ηˉd(y)LZF=iCd(y)ZF,∂ηc(y)L∂ηˉd(y)LZF=iSdc(y,y)ZF−iCd(y)[−iBc(y)ZF]=[iSdc(y,y)+Bc(y)Cd(y)]ZF.\begin{aligned} \partial^L_{\bar\eta_d(y)}Z_F&=iC_d(y)Z_F,\\ \partial^L_{\eta_c(y)}\partial^L_{\bar\eta_d(y)}Z_F &=iS_{dc}(y,y)Z_F-iC_d(y)[-iB_c(y)Z_F]\\ &=[iS_{dc}(y,y)+B_c(y)C_d(y)]Z_F. \end{aligned}

再作用另一个顶点的∂ηˉb(x)L\partial^L_{\bar\eta_b(x)}。第一项给−Sdc(y,y)Cb(x)ZF-S_{dc}(y,y)C_b(x)Z_F,第二项给Sbc(x,y)Cd(y)ZFS_{bc}(x,y)C_d(y)Z_F以及含三个源的项。最后作用∂ηa(x)L\partial^L_{\eta_a(x)}并令源为零,便有

∂ηa(x)L∂ηˉb(x)L∂ηc(y)L∂ηˉd(y)LZF∣0=−Sba(x,x)Sdc(y,y)+Sbc(x,y)Sda(y,x).\left. \partial^L_{\eta_a(x)}\partial^L_{\bar\eta_b(x)} \partial^L_{\eta_c(y)}\partial^L_{\bar\eta_d(y)}Z_F \right|_0 =-S_{ba}(x,x)S_{dc}(y,y)+S_{bc}(x,y)S_{da}(y,x).

第一项是两个同点收缩的乘积;第二项才把两个顶点连成一条闭链。物理费米收缩为KF=S/iK_F=S/i,故第二项中的SS=−KFKFSS=-K_FK_F。乘上两个顶点矩阵并缩并指标,得到

⟨T(ΨˉGΨ)x(ΨˉGΨ)y⟩0,c=−Tr⁡[GKF(x−y)GKF(y−x)].\langle T(\bar\Psi G\Psi)_x(\bar\Psi G\Psi)_y\rangle_{0,c} =-\operatorname{Tr}[G K_F(x-y)G K_F(y-x)].

指数展开的1/2!1/2!再与两条固定标量外腿接到两个顶点的2!2!种方法相消。取赝标量的G=γ5G=\gamma_5和顶角−gγ5-g\gamma_5,截去外标量传播子后,正好得到式(51.11)的(−1)(−g)2(1/i)2(-1)(-g)^2(1/i)^2。闭圈号由此直接来自源导数次序。

分母的处理与第14节相同。用xx合并两条线,令a=x(1−x)a=x(1-x), 再平移q=ℓ+xkq=\ell+xk,有

x[(ℓ+k)2+m2]+(1−x)(ℓ2+m2)=(ℓ+xk)2+m2+ak2,D=m2+ak2,N=q2−ak2+m2+(1−2x)k⋅q,iΠΨ(k2)=4g2∫01dx μ~ϵ∫ddq(2π)dN(q2+D−i0)2.(51.13)\begin{aligned} &x[(\ell+k)^2+m^2]+(1-x)(\ell^2+m^2) =(\ell+xk)^2+m^2+ak^2,\\ D&=m^2+ak^2,\\ N&=q^2-ak^2+m^2+(1-2x)k\cdot q,\\ i\Pi_\Psi(k^2) &=4g^2\int_0^1dx\,\widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^dq}{(2\pi)^d}\frac{N}{(q^2+D-i0)^2}. \end{aligned} \tag{51.13}

这一步的平移与删去奇qq项,先在积分收敛的维数域进行, 再由维数正规化的解析延拓定义发散处的结果。 因此不会在平移动量时另引入一个截止边界项。 外动量可先取使D>0D>0的区域,算完后沿原分母的−i0-i0继续延拓。

两个所需的动量积分都已包含在第31节的四维展开中。 为追踪分子q2q^2所带来的有限常数,这里把代入写开。记

In(D):=μ~ϵ∫ddq(2π)d1(q2+D−i0)n=iμ~ϵ(4π)d/2Γ(n−d/2)Γ(n)Dd/2−n.(51.14)\begin{aligned} I_n(D)&:=\widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^dq}{(2\pi)^d}\frac1{(q^2+D-i0)^n}\\ &=\frac{i\widetilde\mu^\epsilon}{(4\pi)^{d/2}} \frac{\Gamma(n-d/2)}{\Gamma(n)}D^{d/2-n}. \end{aligned} \tag{51.14}

ii来自q0=iqE0q^0=iq_E^0的威克旋转。 取n=2n=2时,Γ(ϵ/2)=2/ϵ−γE+O(ϵ)\Gamma(\epsilon/2)=2/\epsilon-\gamma_E+O(\epsilon); 同时展开(4πμ~2/D)ϵ/2(4\pi\widetilde\mu^2/D)^{\epsilon/2},便把γE\gamma_E和4π4\pi 并入μ\mu。取n=1n=1时还要用 Γ(−1+ϵ/2)=Γ(ϵ/2)/(−1+ϵ/2)\Gamma(-1+\epsilon/2)=\Gamma(\epsilon/2)/(-1+\epsilon/2)。 这个分母的一阶展开产生额外的常数一:

I2(D)=i16π2[2ϵ−ln⁡Dμ2]+O(ϵ),I1(D)=−iD16π2[2ϵ+1−ln⁡Dμ2]+O(ϵ),μ~ϵ∫ddq(2π)dq2(q2+D−i0)2=I1(D)−DI2(D)=−2iD16π2[2ϵ+12−ln⁡Dμ2]+O(ϵ).(51.15)\begin{aligned} I_2(D)&=\frac{i}{16\pi^2} \left[\frac2\epsilon-\ln\frac D{\mu^2}\right]+O(\epsilon),\\ I_1(D)&=-\frac{iD}{16\pi^2} \left[\frac2\epsilon+1-\ln\frac D{\mu^2}\right]+O(\epsilon),\\ \widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^dq}{(2\pi)^d}\frac{q^2}{(q^2+D-i0)^2} &=I_1(D)-DI_2(D)\\ &=-\frac{2iD}{16\pi^2} \left[\frac2\epsilon+\frac12-\ln\frac D{\mu^2}\right]+O(\epsilon). \end{aligned} \tag{51.15}

最后一步用了q2=(q2+D)−Dq^2=(q^2+D)-D,其中常数1/21/2 来自前两个积分的相减。

把式(51.15)代回,剩余的xx积分分成多项式和对数两部分。 从动量积分中提出公共因子i/(16π2)i/(16\pi^2)后,被积式为

−2D[2ϵ+12−ln⁡Dμ2]+(m2−ak2)[2ϵ−ln⁡Dμ2]=−2m2+6ak2ϵ−(m2+ak2)+(m2+3ak2)ln⁡Dμ2.(51.16)\begin{aligned} &-2D\left[\frac2\epsilon+\frac12-\ln\frac D{\mu^2}\right] +(m^2-ak^2)\left[\frac2\epsilon-\ln\frac D{\mu^2}\right]\\ &\hspace{6mm} =-\frac{2m^2+6ak^2}{\epsilon} -(m^2+ak^2)+(m^2+3ak^2)\ln\frac D{\mu^2}. \end{aligned} \tag{51.16}

利用∫01a dx=1/6\int_0^1a\,dx=1/6,并除去iΠi\Pi前的ii,得到

ΠΨ(k2)=−g24π2[k2+2m2ϵ+k26+m2−∫01dx (3ak2+m2)ln⁡Dμ2].(51.17)\Pi_\Psi(k^2) =-\frac{g^2}{4\pi^2}\left[ \frac{k^2+2m^2}{\epsilon}+\frac{k^2}{6}+m^2 -\int_0^1dx\,(3ak^2+m^2)\ln\frac D{\mu^2}\right]. \tag{51.17}

发散部分只有k2k^2和质量平方两种局部结构, 正好可由标量动能和质量的反项吸收。 非多项式的动量依赖留在对数中;它将决定连续谱及传播子的离壳变化。

标量的质量和场归一

费米圈之外,还要加上四标量顶点产生的蝌蚪图。 它与第31节的图相同,只需把内部质量换成MM。 两个外腿接到顶点有4⋅34\cdot3种方式,剩余两腿互相缩并, 与顶点的1/4!1/4!相乘后给1/21/2。 因此iΠφ=(−iλ)(1/i)I1(M2)/2i\Pi_\varphi=(-i\lambda)(1/i)I_1(M^2)/2,即

Πφ=λM216π2[1ϵ+12−12ln⁡M2μ2],Πct=−δZφk2−δZMM2.(51.18)\Pi_\varphi =\frac{\lambda M^2}{16\pi^2} \left[\frac1\epsilon+\frac12-\frac12\ln\frac{M^2}{\mu^2}\right], \qquad \Pi_{\rm ct}=-\delta Z_\varphi k^2-\delta Z_M M^2 . \tag{51.18}

蝌蚪图与外动量无关,所以它只直接改变质量项。 将它与费米圈相加,按k2k^2和常数分别抵消1/ϵ1/\epsilon,得到

δZφ∣pole=−g24π2ϵ,δZM∣pole=1ϵ[λ16π2−g2m22π2M2].(51.19)\begin{aligned} \left.\delta Z_\varphi\right|_{\rm pole} &=-\frac{g^2}{4\pi^2\epsilon},\\ \left.\delta Z_M\right|_{\rm pole} &=\frac1\epsilon\left[ \frac{\lambda}{16\pi^2} -\frac{g^2m^2}{2\pi^2M^2}\right]. \end{aligned} \tag{51.19}

有限部分还没有确定,因为消去发散并不足以定义物理质量和场归一。 若记F(y)=ΠΨ(y)+ΠφF(y)=\Pi_\Psi(y)+\Pi_\varphi、y=k2y=k^2, 两个在壳条件要求

δZφ=F′(−M2),δZM=F(−M2)M2+F′(−M2),Π(y)=F(y)−F(−M2)−(y+M2)F′(−M2).(51.20)\begin{aligned} \delta Z_\varphi&=F'(-M^2),\\ \delta Z_M&=\frac{F(-M^2)}{M^2}+F'(-M^2),\\ \Pi(y)&=F(y)-F(-M^2)-(y+M^2)F'(-M^2). \end{aligned} \tag{51.20}

这个减除式同时去掉FF在极点处的值和斜率。 尤其Πφ\Pi_\varphi作为常数被整个吸收,所以最终自能在λ\lambda的一次阶 不再有贡献;λ\lambda仍留在将拉氏量质量与裸质量联系起来的反项中。

两次减除会消去常数项和一次多项式,有限动量依赖只需从下式求出: H(y)=∫01dx (3ay+m2)ln⁡[(m2+ay)/μ2]H(y)=\int_0^1dx\,(3ay+m^2)\ln[(m^2+ay)/\mu^2]。 它的导数包含两项:前因子求导给3aln⁡(D/μ2)3a\ln(D/\mu^2), 对数求导给a(3ay+m2)/Da(3ay+m^2)/D。 把y0=−M2y_0=-M^2代入式(51.20), 前一项与H(y0)H(y_0)合起来将对数变成ln⁡(D/D0)\ln(D/D_0); 后一项给一个线性有限反项。结果为

Π(k2)=g24π2[∫01dx (3ak2+m2)ln⁡DD0+κφ(k2+M2)],D0=m2−aM2,κφ=∫01dx a(3aM2−m2)D0.(51.21)\begin{aligned} \Pi(k^2)&=\frac{g^2}{4\pi^2} \left[\int_0^1dx\,(3ak^2+m^2)\ln\frac{D}{D_0} +\kappa_\varphi(k^2+M^2)\right],\\ D_0&=m^2-aM^2,\qquad \kappa_\varphi=\int_0^1dx\, \frac{a(3aM^2-m^2)}{D_0}. \end{aligned} \tag{51.21}

a≤1/4a\le1/4且M<2mM<2m,故D0>0D_0>0,减除点没有越过二费米阈值。 在k2=−M2k^2=-M^2处,对数为零,线性项也为零;再求一次导数, 积分给∫a(m2−3aM2)/D0\int a(m^2-3aM^2)/D_0,恰与κφ\kappa_\varphi抵消。 因而两个在壳条件都已实现。

有限归一常数还可以显式积分,借此看出接近阈值时的行为。 令r=M2/m2r=M^2/m^2,其中0<r<40<r<4,把分子除以1−ra1-ra,有

κφ=−12+2r[J(r)−1],J(r)=∫01dx1−rx(1−x)=4r(4−r)arctan⁡r4−r.(51.22)\begin{aligned} \kappa_\varphi &=-\frac12+\frac2r[J(r)-1],\\ J(r)&=\int_0^1\frac{dx}{1-rx(1-x)} =\frac4{\sqrt{r(4-r)}}\arctan\sqrt{\frac r{4-r}} . \end{aligned} \tag{51.22}

第二行令u=2x−1u=2x-1后成为 4∫01du/(4−r+ru2)4\int_0^1du/(4-r+ru^2),其原函数是一个反正切。 在小rr处,直接展开J=1+r/6+r2/30+⋯J=1+r/6+r^2/30+\cdots, 得到κφ=−1/6+r/15+⋯\kappa_\varphi=-1/6+r/15+\cdots。 当r→4−r\to4^-时,D0D_0在x=1/2x=1/2附近变小,JJ随之增大; 归一条件对阈值的敏感性由此显现。 若离壳动量远离极点与阈值,且各动量和质量尺度同阶、没有大的对数, 传播子的相对单圈修正便为g2/(4π2)g^2/(4\pi^2)量级。

费米自能:开链与混合质量

接着计算费米传播子。下图的一圈贡献含一条内部费米线和一条标量线, 自旋指标沿外部费米线连通,不形成迹,也没有闭圈的额外负号:

费米子自能的标量交换圈和动能质量反项,内部费米动量为p加ell

费米自能。内部费米动量为p+ℓp+\ell,上方标量弧的动量ℓ\ell 流向左顶点。右图表示费米动能及质量反项。

仍按逆着费米箭头的次序相乘,两个顶角夹住内部传播子,得到

iΣloop(p̸)=(−g)2(1/i)2μ~ϵ∫ddℓ(2π)d γ5S~(p+ℓ)γ5 Δ~(ℓ2),Δ~(ℓ2)=1ℓ2+M2−i0,γ5(−p̸−ℓ̸+m)γ5=p̸+ℓ̸+m.(51.23)\begin{aligned} i\Sigma_{\rm loop}(\slashed p) &=(-g)^2(1/i)^2\widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^d\ell}{(2\pi)^d}\, \gamma_5\widetilde S(p+\ell)\gamma_5\, \widetilde\Delta(\ell^2),\\ \widetilde\Delta(\ell^2)&=\frac1{\ell^2+M^2-i0},\\ \gamma_5(-\slashed p-\slashed\ell+m)\gamma_5 &=\slashed p+\slashed\ell+m . \end{aligned} \tag{51.23}

显式因子这次为−g2-g^2。 用xx乘费米分母、1−x1-x乘标量分母,令q=ℓ+xpq=\ell+xp, 则

x[(ℓ+p)2+m2]+(1−x)(ℓ2+M2)=q2+D,D=x(1−x)p2+xm2+(1−x)M2,N=q̸+(1−x)p̸+m,iΣloop(p̸)=−g2∫01dx μ~ϵ∫ddq(2π)dN(q2+D−i0)2.(51.24)\begin{aligned} &x[(\ell+p)^2+m^2]+(1-x)(\ell^2+M^2)=q^2+D,\\ D&=x(1-x)p^2+xm^2+(1-x)M^2,\\ N&=\slashed q+(1-x)\slashed p+m,\\ i\Sigma_{\rm loop}(\slashed p) &=-g^2\int_0^1dx\,\widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^dq}{(2\pi)^d}\frac{N}{(q^2+D-i0)^2}. \end{aligned} \tag{51.24}

这个DD把两条不同质量的传播子合在一起;它不同于标量自能中的 m2+x(1−x)k2m^2+x(1-x)k^2。删去奇q̸\slashed q项后, 整个矩阵分子都与积分变量无关,因而只需I2(D)I_2(D):

Σloop(z)=−g216π2[z+2mϵ−∫01dx [(1−x)z+m]ln⁡Dμ2],z=p̸.(51.25)\Sigma_{\rm loop}(z) =-\frac{g^2}{16\pi^2}\left[ \frac{z+2m}{\epsilon} -\int_0^1dx\,[(1-x)z+m]\ln\frac D{\mu^2}\right], \qquad z=\slashed p . \tag{51.25}

其中z/ϵz/\epsilon来自(2/ϵ)∫01(1−x)z dx(2/\epsilon)\int_0^1(1-x)z\,dx, 2m/ϵ2m/\epsilon来自质量项在整个单位区间上的积分。 费米自能的质量维数为一,发散也只含zz与mm两种允许的结构。

二价反项为 Σct=−δZΨz−δZmm\Sigma_{\rm ct}=-\delta Z_\Psi z-\delta Z_m m。 分别比较这两种结构的极点,得到

δZΨ∣pole=−g216π2ϵ,δZm∣pole=−g28π2ϵ.(51.26)\left.\delta Z_\Psi\right|_{\rm pole} =-\frac{g^2}{16\pi^2\epsilon},\qquad \left.\delta Z_m\right|_{\rm pole} =-\frac{g^2}{8\pi^2\epsilon}. \tag{51.26}

有限部分仍由极点条件决定。 令F(z)=Σloop(z)F(z)=\Sigma_{\rm loop}(z), 与标量的两次减除一样,现在应取

δZΨ=F′(−m),δZm=F(−m)m+F′(−m),Σ(z)=F(z)−F(−m)−(z+m)F′(−m).(51.27)\begin{aligned} \delta Z_\Psi&=F'(-m),\qquad \delta Z_m=\frac{F(-m)}m+F'(-m),\\ \Sigma(z)&=F(z)-F(-m)-(z+m)F'(-m). \end{aligned} \tag{51.27}

这里必须对D=−x(1−x)z2+xm2+(1−x)M2D=-x(1-x)z^2+xm^2+(1-x)M^2一起求导。 在z=−mz=-m处,分子(1−x)z+m=xm(1-x)z+m=xm, 而D′=2x(1−x)mD'=2x(1-x)m。于是对数导数带来的有限项为 2x2(1−x)m2/D02x^2(1-x)m^2/D_0,其中

D0=x2m2+(1−x)M2,Σ(z)=g216π2[∫01dx [(1−x)z+m]ln⁡DD0+κΨ(z+m)],κΨ=−2∫01dx x2(1−x)m2D0.(51.28)\begin{aligned} D_0&=x^2m^2+(1-x)M^2,\\ \Sigma(z)&=\frac{g^2}{16\pi^2} \left[\int_0^1dx\,[(1-x)z+m]\ln\frac D{D_0} +\kappa_\Psi(z+m)\right],\\ \kappa_\Psi&=-2\int_0^1dx\,\frac{x^2(1-x)m^2}{D_0}. \end{aligned} \tag{51.28}

在减除点,积分及线性项同时为零; 其导数则由刚算出的正项与κΨ\kappa_\Psi抵消。 m,M>0m,M>0保证D0D_0在闭区间上为正, 所以费米单粒子极点与连续谱之间确有解析邻域。 与标量情形比较可见,反项的确定并未增加新的原则; 新增的工作是保留开链的矩阵结构,并在求导时正确处理z2=−p2z^2=-p^2。

汤川顶角的单圈修正

两个传播子已按物理质量和单位留数归一化,还须确定相互作用的强度。 先看一条赝标量线与两条费米线相接的顶角。 令费米动量从pp变为p′p',流入的标量动量便为k=p′−pk=p'-p。 本节的顶角函数用iVY(p′,p)iV_Y(p',p)表示截去外传播子后的图之和, 所以树级iVY=−gγ5iV_Y=-g\gamma_5。 一圈贡献如下:

赝标量汤川顶角的一圈修正,两段内费米线动量为p加ell与p撇加ell

汤川顶角的一圈图。沿费米箭头,两段内线分别携带p+ℓp+\ell和p′+ℓp'+\ell; 上方标量弧携带ℓ\ell,中央入射动量满足k=p′−pk=p'-p。

三次顶角与三条内部传播子的因子相乘为 (−g)3(1/i)3=−ig3(-g)^3(1/i)^3=-ig^3。保留矩阵的顺序,有

iVY(p′,p)=−Zggγ5+iVY,loop(p′,p),iVY,loop(p′,p)=(−g)3(1/i)3μ~ϵ∫ddℓ(2π)dγ5S~(p′+ℓ)γ5S~(p+ℓ)γ5Δ~(ℓ2).(51.29)\begin{aligned} iV_Y(p',p)&=-Z_g g\gamma_5+iV_{Y,{\rm loop}}(p',p),\\ iV_{Y,{\rm loop}}(p',p) &=(-g)^3(1/i)^3\widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^d\ell}{(2\pi)^d} \gamma_5\widetilde S(p'+\ell)\gamma_5 \widetilde S(p+\ell)\gamma_5\widetilde\Delta(\ell^2). \end{aligned} \tag{51.29}

两边按圈数保留到单圈阶,gg与λ\lambda作为两个独立耦合计数;更高圈项还包括混合耦合修正。

将最左边的两个γ5\gamma_5移到一起,分子成为 N=(p̸′+ℓ̸+m)(−p̸−ℓ̸+m)γ5N=(\slashed p'+\slashed\ell+m)(-\slashed p-\slashed\ell+m)\gamma_5。 令动量ℓ+p\ell+p和ℓ+p′\ell+p'的费米分母分别乘x1,x2x_1,x_2,标量分母乘x3x_3。 沿第14节已证明的参数公式,使用

dF3=2! dx1dx2dx3 δ(1−x1−x2−x3),xi≥0,∫dF3=1,q=ℓ+x1p+x2p′,D=x1(1−x1)p2+x2(1−x2)p′2−2x1x2p⋅p′+(x1+x2)m2+x3M2.(51.30)\begin{aligned} dF_3&=2!\,dx_1dx_2dx_3\, \delta(1-x_1-x_2-x_3),\quad x_i\ge0,\quad \int dF_3=1,\\ q&=\ell+x_1p+x_2p',\\ D&=x_1(1-x_1)p^2+x_2(1-x_2)p'^2-2x_1x_2p\cdot p'\\ &\hspace{8mm}+(x_1+x_2)m^2+x_3M^2 . \end{aligned} \tag{51.30}

第一行的2!2!来自合并三个一次分母,不是图的对称因子。 消去x3x_3后,积分域是0≤x1≤10\le x_1\le1、0≤x2≤1−x10\le x_2\le1-x_1, 面积为1/21/2,因此测度确实归一为一。 第二、三行则来自 x1(ℓ+p)2+x2(ℓ+p′)2+x3ℓ2x_1(\ell+p)^2+x_2(\ell+p')^2+x_3\ell^2 配成q2q^2后留下的常数。

在分子中也作同一平移。为保持两个开链矩阵的次序,记

A=−x1p̸+(1−x2)p̸′+m,B=−(1−x1)p̸+x2p̸′+m,N=(q̸+A)(−q̸+B)γ5=q2γ5+ABγ5+(q̸B−Aq̸)γ5,N~=ABγ5,iVY,loop=−ig3∫dF3 μ~ϵ∫ddq(2π)dN(q2+D−i0)3.(51.31)\begin{aligned} A&=-x_1\slashed p+(1-x_2)\slashed p'+m,\\ B&=-(1-x_1)\slashed p+x_2\slashed p'+m,\\ N&=(\slashed q+A)(-\slashed q+B)\gamma_5\\ &=q^2\gamma_5+AB\gamma_5 +(\slashed q B-A\slashed q)\gamma_5,\\ \widetilde N&=AB\gamma_5,\\ iV_{Y,{\rm loop}} &=-ig^3\int dF_3\,\widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^dq}{(2\pi)^d}\frac{N}{(q^2+D-i0)^3}. \end{aligned} \tag{51.31}

首项的正号来自−q̸q̸=q2-\slashed q\slashed q=q^2。 末项对qq为奇,积分后为零;N~\widetilde N则是与qq无关的有序矩阵。 一般的p,p′p,p'使A,BA,B不对易,不能把它们当作两个普通数交换。

现在只有两个径向积分需要计算。 在式(51.14)中取n=3n=3,得到 I3=i/(32π2D)+O(ϵ)I_3=i/(32\pi^2D)+O(\epsilon)。 对于q2q^2项,使用I2−DI3I_2-DI_3,因而

I3(D)=i32π2D+O(ϵ),μ~ϵ∫ddq(2π)dq2(q2+D−i0)3=i16π2[2ϵ−ln⁡Dμ2−12]+O(ϵ),iVY,loop=g38π2[(1ϵ−14−12∫dF3ln⁡Dμ2)γ5+14∫dF3N~D].(51.32)\begin{aligned} I_3(D)&=\frac{i}{32\pi^2D}+O(\epsilon),\\ \widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^dq}{(2\pi)^d}\frac{q^2}{(q^2+D-i0)^3} &=\frac{i}{16\pi^2} \left[\frac2\epsilon-\ln\frac D{\mu^2}-\frac12\right]+O(\epsilon),\\ iV_{Y,{\rm loop}} &=\frac{g^3}{8\pi^2}\left[ \left(\frac1\epsilon-\frac14-\frac12\int dF_3\ln\frac D{\mu^2}\right)\gamma_5 +\frac14\int dF_3\frac{\widetilde N}{D}\right]. \end{aligned} \tag{51.32}

原来的−i-i与积分的ii相乘,使最后一行的整体系数为正。 只有q2q^2项产生对数发散,且其矩阵结构仍为γ5\gamma_5。 因此一个汤川反项就足以抵消它:

δZg∣pole=g28π2ϵ.(51.33)\left.\delta Z_g\right|_{\rm pole}=\frac{g^2}{8\pi^2\epsilon}. \tag{51.33}

有限的−1/4-1/4与N~/D\widetilde N/D项决定了零外动量处的减除量,下面用它们固定耦合。

用零动量顶角定义耦合

用零动量顶角定义汤川耦合,条件为VY(0,0)=igγ5V_Y(0,0)=ig\gamma_5,也就是iVY(0,0)=−gγ5iV_Y(0,0)=-g\gamma_5。 零外动量不满足有质量外粒子的在壳条件;它在这里是一个便于明确规定耦合的 离壳减除点。由于m,M>0m,M>0,这个点没有红外奇性。

先直接在圈图分子中令p=p′=0p=p'=0。 这比分别积分式(51.32)的两项更简便:

N=(ℓ̸+m)(−ℓ̸+m)γ5=(ℓ2+m2)γ5.(51.34)N=(\slashed\ell+m)(-\slashed\ell+m)\gamma_5 =(\ell^2+m^2)\gamma_5 . \tag{51.34}

交叉项mℓ̸−mℓ̸m\slashed\ell-m\slashed\ell相消, 余下的一因子约掉两条同质量费米分母中的一条。 于是三分母积分化为两分母积分,只需一个参数:

iVY,loop(0,0)=−ig3γ5μ~ϵ∫ddℓ(2π)d1(ℓ2+m2−i0)(ℓ2+M2−i0)=g316π2[2ϵ−L(m2,M2;μ2)]γ5,L(A,B;μ2)=∫01dx ln⁡xA+(1−x)Bμ2.(51.35)\begin{aligned} iV_{Y,{\rm loop}}(0,0) &=-ig^3\gamma_5\widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^d\ell}{(2\pi)^d} \frac1{(\ell^2+m^2-i0)(\ell^2+M^2-i0)}\\ &=\frac{g^3}{16\pi^2} \left[\frac2\epsilon-L(m^2,M^2;\mu^2)\right]\gamma_5,\\ L(A,B;\mu^2)&=\int_0^1dx\, \ln\frac{xA+(1-x)B}{\mu^2}. \end{aligned} \tag{51.35}

令t=B+x(A−B)t=B+x(A-B),有dx=dt/(A−B)dx=dt/(A-B), 再用∫ln⁡(t/μ2) dt=tln⁡(t/μ2)−t\int\ln(t/\mu^2)\,dt=t\ln(t/\mu^2)-t,得到

L(A,B;μ2)={Aln⁡(A/μ2)−Bln⁡(B/μ2)A−B−1,A≠B,ln⁡(A/μ2),A=B.(51.36)L(A,B;\mu^2)= \begin{cases} \displaystyle \frac{A\ln(A/\mu^2)-B\ln(B/\mu^2)}{A-B}-1,&A\ne B,\\[2mm] \ln(A/\mu^2),&A=B. \end{cases} \tag{51.36}

A=BA=B处的表面分母由可去奇点构成, 因为分子的差商趋于ln⁡(A/μ2)+1\ln(A/\mu^2)+1。 由−δZggγ5+iVY,loop(0,0)=0-\delta Z_g g\gamma_5+iV_{Y,{\rm loop}}(0,0)=0, 全部单圈反项为

δZg=g216π2[2ϵ−L(m2,M2;μ2)].(51.37)\delta Z_g=\frac{g^2}{16\pi^2} \left[\frac2\epsilon-L(m^2,M^2;\mu^2)\right]. \tag{51.37}

它既包含此前的极点,也包含当前耦合定义所需的有限部分。

一般动量处,只需从圈图减去其零动量值。 令D00=(x1+x2)m2+x3M2D_{00}=(x_1+x_2)m^2+x_3M^2, 并注意N~(0,0)=m2γ5\widetilde N(0,0)=m^2\gamma_5, 式(51.32)中的极点和常数便同时消去:

iVY(p′,p)=−gγ5+g38π2[−12∫dF3ln⁡DD00 γ5+14∫dF3(N~D−m2γ5D00)].(51.38)\begin{aligned} iV_Y(p',p)=-g\gamma_5+\frac{g^3}{8\pi^2} \bigg[& -\frac12\int dF_3\ln\frac D{D_{00}}\,\gamma_5\\ &+\frac14\int dF_3 \left(\frac{\widetilde N}{D}-\frac{m^2\gamma_5}{D_{00}}\right)\bigg]. \end{aligned} \tag{51.38}

这里每一项都是确定的有限参数积分;在DD越过负实轴时, 对数和分母沿原费曼处方取边界值。 在p=p′=0p=p'=0,两项的被积函数分别为零,因此耦合条件直接成立。 这也可以从三参数积分直接验证。令A=m2A=m^2、B=M2B=M^2、y=x1+x2y=x_1+x_2,则D∗=yA+(1−y)BD_*=yA+(1-y)B。在0≤x1≤y≤10\le x_1\le y\le1上积分,测度化为

∫dF3f(x1+x2)=2∫01dy∫0ydx1,f(y)=2∫01yf(y),dy.\int dF_3 f(x_1+x_2)=2\int_0^1dy\int_0^y dx_1,f(y) =2\int_0^1y f(y),dy.

记L3=2∫01yln⁡(D∗/μ2) dyL_3=2\int_0^1y\ln(D_*/\mu^2)\,dy、R3=2∫01y/D∗ dyR_3=2\int_0^1y/D_*\,dy。在g3γ5/(16π2)g^3\gamma_5/(16\pi^2)的归一下,式(51.32)的有限部分为−1/2−L3+AR3/2-1/2-L_3+AR_3/2,两分母算法则给−L-L。对y(y−1)ln⁡(D∗/μ2)y(y-1)\ln(D_*/\mu^2)作分部积分,两端的边界项都为零,于是

0=∫01dy[(2y−1)ln⁡D∗μ2+y(y−1)A−BD∗],L3−L=(A−B)∫01y(1−y)D∗ dy=A∫01yD∗ dy−∫01y dy=A2R3−12.\begin{aligned} 0&=\int_0^1dy\left[(2y-1)\ln\frac{D_*}{\mu^2} +y(y-1)\frac{A-B}{D_*}\right],\\ L_3-L&=(A-B)\int_0^1\frac{y(1-y)}{D_*}\,dy\\ &=A\int_0^1\frac y{D_*}\,dy-\int_0^1y\,dy =\frac A2R_3-\frac12. \end{aligned}

第二个等号用了A−D∗=(A−B)(1−y)A-D_*=(A-B)(1-y)。所以−1/2−L3+AR3/2=−L-1/2-L_3+AR_3/2=-L,两种计算给出完全相同的有限反项;测度的2!2!和径向积分中的常数项都参与了这一等式。

四标量顶角与新耦合的必要性

最后计算四条外标量线的顶角。 除了已经在第31节处理过的纯标量泡图,还多出一个四边形费米圈。 固定一个外标签后,其余三个标签在有向闭圈上有3!=63!=6种排列。 这是狄拉克圈;反向排列也属于这些收缩中的一项,不能再将六项除以二。 下图只画其中一种,所有外动量均流入:

四条外标量线连接的有向费米盒图,四段内动量从左弧起依次标出

四标量顶角的一种费米盒图。四个外动量均入射,∑iki=0\sum_i k_i=0。 本图把圈动量ℓ\ell选在左弧,四段动量可直接用于正文的传播子链。

沿逆箭头方向读取,矩阵链为

iV4,Ψ=−g4μ~ϵ∫ddℓ(2π)d Tr⁡[S~(ℓ)γ5S~(ℓ−k1)γ5×S~(ℓ+k2+k3)γ5S~(ℓ+k2)γ5]+另外五种排列.(51.39)\begin{aligned} iV_{4,\Psi} =-g^4\widetilde\mu^\epsilon \int\frac{d^d\ell}{(2\pi)^d}\, \operatorname{Tr}\big[& \widetilde S(\ell)\gamma_5 \widetilde S(\ell-k_1)\gamma_5\\ &\times\widetilde S(\ell+k_2+k_3)\gamma_5 \widetilde S(\ell+k_2)\gamma_5\big] +\text{另外五种排列}. \end{aligned} \tag{51.39}

整体负号是闭费米圈的号;四顶角给g4g^4,四条内线给(1/i)4=1(1/i)^4=1。 图中的圈动量从左弧起标;顺着箭头逐个加入流入顶点的外动量,就得到式(51.39)中的四条内线。

本节只需从一般四点图中抽出局部发散,供后续重整化群计算使用。 四个费米传播子的大动量行为各为1/ℓ1/\ell, 故四维圈积分的表面发散度为零。 在大ℓ\ell展开中增加一个外动量,便至少再减去一幂ℓ\ell, 所以发散项不依赖外动量。 保持m>0m>0而令全部ki=0k_i=0,不会引入新的红外发散, 可以直接求出这个局部系数。

只取分子的最高动量项时, Tr⁡[(ℓ̸γ5)4]=4(ℓ2)2\operatorname{Tr}[(\slashed\ell\gamma_5)^4]=4(\ell^2)^2。 在零外动量处,连质量项也可以一起化简:

[(−ℓ̸+m)γ5]2=(−ℓ̸+m)(ℓ̸+m)=(ℓ2+m2)I,Tr⁡ ⁣{[(−ℓ̸+m)γ5]4}=4(ℓ2+m2)2,V4,Ψ(0)=−24g4iI2(m2)=−3g4π2[1ϵ−12ln⁡m2μ2].(51.40)\begin{aligned} {}[(-\slashed\ell+m)\gamma_5]^2 &=(-\slashed\ell+m)(\slashed\ell+m) =(\ell^2+m^2)I,\\ \operatorname{Tr}\!\left\{[(-\slashed\ell+m)\gamma_5]^4\right\} &=4(\ell^2+m^2)^2,\\ V_{4,\Psi}(0) &=-\frac{24g^4}{i}I_2(m^2) =-\frac{3g^4}{\pi^2} \left[\frac1\epsilon-\frac12\ln\frac{m^2}{\mu^2}\right]. \end{aligned} \tag{51.40}

因子24为六种排列乘以狄拉克迹的4。 最后一行同时保留了极点和零动量方案需要的有限项。 纯标量部分有三个道,每道的对称因子为1/21/2。 沿第31节的顶点计数, (−iλ)2(1/i)2=+λ2(-i\lambda)^2(1/i)^2=+\lambda^2, 因此在零外动量处

V4,φ(0)=3λ22iI2(M2)=3λ216π2[1ϵ−12ln⁡M2μ2].(51.41)V_{4,\varphi}(0) =\frac{3\lambda^2}{2i}I_2(M^2) =\frac{3\lambda^2}{16\pi^2} \left[\frac1\epsilon-\frac12\ln\frac{M^2}{\mu^2}\right]. \tag{51.41}

两个顶角使纯标量圈从耦合的二次阶开始。

将两个圈与树顶角相加, V4=−Zλλ+V4,Ψ+V4,φV_4=-Z_\lambda\lambda+V_{4,\Psi}+V_{4,\varphi}。 按照零外动量的定义V4(0)=−λV_4(0)=-\lambda,包含有限部分的加性反项为

δλ:=λδZλ=3λ216π2[1ϵ−12ln⁡M2μ2]−3g4π2[1ϵ−12ln⁡m2μ2],δZλ∣pole=1ϵ[3λ16π2−3g4π2λ],λ≠0.(51.42)\begin{aligned} \delta\lambda:=\lambda\delta Z_\lambda &=\frac{3\lambda^2}{16\pi^2} \left[\frac1\epsilon-\frac12\ln\frac{M^2}{\mu^2}\right] -\frac{3g^4}{\pi^2} \left[\frac1\epsilon-\frac12\ln\frac{m^2}{\mu^2}\right],\\ \left.\delta Z_\lambda\right|_{\rm pole} &=\frac1\epsilon\left[ \frac{3\lambda}{16\pi^2}-\frac{3g^4}{\pi^2\lambda}\right], \qquad \lambda\ne0 . \end{aligned} \tag{51.42}

当λ=0\lambda=0时,ZλZ_\lambda的这种乘法记法不再适合, 但第一行的δλ\delta\lambda仍有明确意义。 尤其g≠0g\ne0时它含非零的g4g^4项: 只保留汤川相互作用而不允许四标量反项,便无法消去四点函数的发散。 开头由量纲与对称性提出的要求,现在由一幅具体的圈图实现了。

至此,两个传播子的质量和留数、两个顶角在零动量处的数值都已经固定。 反项的极点只记录局部短距离结构,有限部分则体现本节对参数的定义; 传播子的对数和顶角的有限参数函数保留了实际动量依赖。 下一节将利用这些局部反项考察参数随重整化尺度的变化。


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文章标题:Srednicki §51 汤川理论中的圈修正

文章作者:Whitney

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