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Fermi 理論は WW を積分消去した有効理論である

2026年10月15日3分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第6部 第6章 有効場の理論

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。

β\beta 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

LFermi=−GF2(ψˉ1Γψ2)(ψˉ3Γψ4)\mathcal{L}_{\rm Fermi} = -\frac{G_F}{\sqrt2}\bigl(\bar\psi _1\Gamma\psi_2\bigr) \bigl(\bar\psi _3\Gamma\psi_4\bigr)

で与えられる。GFG_F を Fermi 定数と呼ぶ。この理論は1933年に提案され、WW 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 WW ボソンの交換から出る。WW との結合定数を gg とすると、振幅は ∼g2/(q2−MW2)\sim g^2/(q^2-M_W^2) に比例する。∣q2∣≪MW2|q^2|\ll M_W^2 で式 (6.6.1) を使うと −g2/MW2-g^2/M_W^2 となり、qq 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

GF2=g28MW2(6.6.4)\frac{G_F}{\sqrt2} = \frac{g^2}{8M_W^2}\tag{6.6.4}

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 gg を求める)

オリジナル式 (6.6.4) と GF=1.166×10−5 G_F=1.166\times10^{-5}\,GeV−2^{-2}、MW=80.4 M_W=80.4\,GeV から弱い相互作用の結合定数 gg を求めよ。また、ミューオン崩壊(mμ=0.106 m_\mu=0.106\,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

gg の値。 式 (6.6.4) を gg について解くと

g2=8MW2⋅GF2=42 GFMW2.g^2 = 8M_W^2\cdot\frac{G_F}{\sqrt2}=4\sqrt2\,G_F M_W^2 .

数値を入れると

g2=4×1.4142×1.166×10−5×(80.4)2=5.657×1.166×10−5×6464=0.4264,g^2 = 4\times1.4142\times1.166\times10^{-5}\times(80.4)^2 = 5.657\times1.166\times10^{-5}\times6464 = 0.4264,

よって g=0.653g=0.653 である。対応する微細構造定数に相当する量はg2/4π=0.034≃1/29g^2/4\pi=0.034\simeq1/29 で、電磁相互作用の 1/1371/137 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 MW2M_W^2 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 q2/MW2q^2/M_W^2 である。ミューオン崩壊では∣q2∣≲mμ2|q^2|\lesssim m_\mu^2 なので

mμ2MW2=(0.10680.4)2=1.7×10−6.\frac{m_\mu^2}{M_W^2} = \left(\frac{0.106}{80.4}\right)^2 = 1.7\times10^{-6}.

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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