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質量次元

2026年10月15日5分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第1部 第5章 場の一覧と質量次元

AI 生成・木下が未勉強

場の量子論入門 第1部 第5章 §1.5.2 ★★ 道具:作用が無次元であることから全部が決まる

自然単位では作用 SS が無次元である(S/ℏS/\hbar が位相の肩に乗るので、ℏ=1\hbar=1 なら SS 自身が無次元)。S=∫d4x LS=\int\mathrm{d}^4x\,\mathcal{L} で [d4x]=−4[\mathrm{d}^4x]=-4 なので

[L]=4[\mathcal{L}]=4

が確定する。あとは各項の次元を4に合わせるだけで、すべての場の次元が決まる。[∂μ]=1[\partial_{\mu}]=1(長さの逆数だから)を使う。

スカラー場は運動項 ∂μϕ∂μϕ\partial_{\mu}\phi\partial^{\mu}\phi の次元が 2+2[ϕ]=42+2[\phi]=4 から [ϕ]=1[\phi]=1。Dirac 場は ψˉiγμ∂μψ\bar\psi \mathrm{i}\gamma^\mu\partial_{\mu}\psi の次元が 2[ψ]+1=42[\psi]+1=4 から [ψ]=3/2[\psi]=3/2。ゲージ場は FμνFμνF_{\mu\nu}F^{\mu\nu} の次元が 2(1+[A])=42(1+[A])=4 から [A]=1[A]=1。質量項でも同じ答えになることを確かめておくとよい。m2ϕ2m^2\phi^2 は 2+2=42+2=4、mψˉψ=1+3=4m\bar\psi \psi=1+3=4 でどちらも整合する。

結合定数の次元は、相互作用項の次元を4に合わせて決まる。

量記号質量次元
作用/時空座標/微分SS / xμx^\mu / ∂μ\partial_{\mu}00 / −1-1 / +1+1
ラグランジアン密度L\mathcal{L}44
スカラー場ϕ\phi11
Dirac 場ψ\psi3/23/2
ゲージ場AμA^\mu11
ϕ4\phi^4 結合λ\lambda00
湯川結合gg00
電荷ee00
Fermi 定数GFG_F−2-2

表の下から3つを確認する。λϕ4\lambda\phi^4 は [λ]+4=4[\lambda]+4=4 で [λ]=0[\lambda]=0、gϕψˉψg\phi\bar\psi \psi は [g]+1+3=4[g]+1+3=4 で [g]=0[g]=0、eψˉγμψAμe\bar\psi \gamma^\mu\psi A_\mu は [e]+3+1=4[e]+3+1=4 で [e]=0[e]=0 である。最後の Fermi 定数は、弱い相互作用を4つのフェルミオンの直接の接触で書く模型GF(ψˉψ)(ψˉψ)G_F(\bar\psi \psi)(\bar\psi \psi) に現れ、[GF]+6=4[G_F]+6=4 から [GF]=−2[G_F]=-2 になる。

例題 5.1(質量次元をすべて決める)

オリジナル自然単位で [L]=4[\mathcal{L}]=4、[∂μ]=1[\partial_{\mu}]=1 を使い、次の量の質量次元を求めよ。

  • (1) DD 次元時空でのスカラー場 ϕ\phi の次元。D=4D=4 で 11 になることを確認せよ。
  • (2) DD 次元での ϕ4\phi^4 結合 λ\lambda の次元。D=4D=4 以外では何が起こるか。
  • (3) 生成消滅演算子 apa_{\bm{p}} の次元(規約 [ap, aq†]=(2π)3δ3(p−q)\left[ a_{\bm{p}},\, a^\dagger_{\bm{q}}\right]=(2\pi)^3\delta^3(\bm{p}-\bm{q}) を使う)。
解答

(1) DD 次元では [dDx]=−D[\mathrm{d}^Dx]=-D なので [L]=D[\mathcal{L}]=D である。運動項から 2+2[ϕ]=D2+2[\phi]=D、すなわち [ϕ]=(D−2)/2[\phi]=(D-2)/2。D=4D=4 で [ϕ]=1[\phi]=1 となり、本文の結果に一致する。D=2D=2 ではスカラー場が無次元になり、D=6D=6 では 22 になる。

(2) [λ]+4[ϕ]=D[\lambda]+4[\phi]=D から [λ]=D−4⋅D−22=4−D[\lambda]=D-4\cdot\frac{D-2}{2}=4-D。D=4D=4 で [λ]=0[\lambda]=0、D<4D<4 で正、D>4D>4 で負である。次元が負の結合定数を持つ理論は、高いエネルギーで無次元の組み合わせ λE∣[λ]∣\lambda E^{|[\lambda]|} が大きくなって摂動が破れる(次節)。D=4D=4 はちょうど境目にあたる特別な次元である。

(3) 交換関係から直接読める。[δ3(p−q)]=−3[\delta^3(\bm{p}-\bm{q})]=-3(デルタ関数はその引数の次元の逆)なので2[ap]=−32[ a_{\bm{p}}]=-3、すなわち [ap]=−3/2[ a_{\bm{p}}]=-3/2 である。場の展開 ϕ(x)=∫d3p(2π)3 12Ep(apeip⋅x+ap†e−ip⋅x)\phi(x)=\int\frac{\mathrm{d}^3 p}{(2\pi)^3}\,\frac{1}{\sqrt{2 E_{\bm{p}}}}( a_{\bm{p}}\mathrm{e}^{\mathrm{i} p\cdot x}+ a^\dagger_{\bm{p}}\mathrm{e}^{-\mathrm{i} p\cdot x}) でも、[d3p]=3[\mathrm{d}^3p]=3、[1/2Ep]=−1/2[1/\sqrt{2 E_{\bm{p}}}]=-1/2 から 1=3−12+[ap]1=3-\frac12+[ a_{\bm{p}}] となって同じ答えを与える。規格化の約束(第2部で使う ∣p⟩=2Ep ap†∣0⟩| p \rangle =\sqrt{2 E_{\bm{p}}}\, a^\dagger_{\bm{p}}| 0 \rangle など)が整合しているかは、この次元勘定で手早く点検できる。

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