Fermi 理論は を積分消去した有効理論である
AI 生成・木下が未勉強
場の量子論入門 第6部 第6章 §6.6.2 ★★ EFT の最も明快な実例。歴史的にも EFT が先に見つかった。
崩壊やミューオン崩壊を記述する Fermi の理論は、4つのフェルミオン場が1点で結合する相互作用
で与えられる。 を Fermi 定数と呼ぶ。この理論は1933年に提案され、 ボソンの存在が確認される50年前から使われていた。
標準模型では、この相互作用は ボソンの交換から出る。 との結合定数を とすると、振幅は に比例する。 で式 (6.6.1) を使うと となり、 に依らない定数、すなわち4点接触相互作用の形になる。係数を合わせると
という対応(マッチング条件)が得られる。
例題 6.1(マッチングから を求める)
オリジナル式 (6.6.4) と GeV、GeV から弱い相互作用の結合定数 を求めよ。また、ミューオン崩壊(GeV)で式 (6.6.1) の展開の第2項がどの程度の補正になるかを評価し、Fermi 近似が良く働く理由を述べよ。
解答
の値。 式 (6.6.4) を について解くと
数値を入れると
よって である。対応する微細構造定数に相当する量は で、電磁相互作用の より大きい。
「弱い相互作用」という名前に反して、結合定数そのものは電磁相互作用より大きい。低エネルギーで弱く見えるのは、式 (6.6.4) の分母にある が大きいためである。力の強さは結合定数だけでは決まらず、媒介粒子の質量と組み合わせて決まる。
展開の第2項。 式 (6.6.1) の補正は である。ミューオン崩壊では なので
百万分の1程度である。Fermi 理論がミューオン崩壊を極めてよく記述するのは、展開パラメータがこれほど小さいからである。
数値は 検算スクリプト の「EFT: G_F/sqrt2 = ĝ2/(8 M_Ŵ2)」および「mu 崩壊での展開パラメータ」で確認済みである。
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