結合定数 (物理学)

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物理学における結合定数(けつごうていすう、coupling constant)とは、粒子間の相互作用の強さを決定する物理量である。物理的な系を記述するラグランジアンハミルトニアンは運動項と相互作用項に分離でき、結合定数は運動項に対する相互作用項の大きさや、相互作用項同士の大きさの比を示す係数として現れる。

概要[編集]

広義には、結合定数という用語は相互作用の強さを決定するパラメータの総称として用いられ、無次元量に限らず、次元の異なるあらゆる表記が可能である。例えば、電磁相互作用の結合定数として有名な微細構造定数

\alpha = \frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\hbar c} = 7.297\,352\,5376(50) \times 10^{-3} = \frac{1}{137.035\,999\,679(94)}

という無次元量の値をとる。ここで、e素電荷\varepsilon_0真空の誘電率\hbar換算プランク定数c光速である。

一方、弱い相互作用に関係する結合定数として有名なフェルミ結合定数

\frac{G_\text{F}}{(\hbar c)^3}=\frac{\sqrt{2}}{8}\frac{g^{2}}{m_W^{2}}=1.16637(1)\times10^{-5}\textrm{GeV}^{-2}

と表され、その次元は[eV]^{-2}である。ここで、gは弱い相互作用のゲージ結合定数、m_WWボソンの質量である。

狭義に、基本相互作用の結合定数という場合、自然単位系を採用し、ゲージ結合定数をgとして

\alpha \equiv \frac{g^2}{4\pi}

と定義される無次元量を指す。

また、結合定数は基本相互作用に限らず、湯川相互作用のようなラグランジアン密度の中の相互作用項の強さを表す係数としても現れる。

ゲージ結合定数[編集]

非可換ゲージ理論において、ゲージ結合定数ゲージ場の強さを決定するパラメータとしてラグランジアン密度の中に現れる。例えば、ヤン=ミルズ項(ゲージ場の運動項+ゲージ場の自己相互作用項)は以下のように表記される。

\mathcal{L}_{YM} = - \frac{1}{4}F_{\mu \nu}^a(F^{\mu \nu})^a = - \frac{1}{4}\operatorname{Tr}(F_{\mu \nu}F^{\mu \nu})

ここで、F_{\mu\nu}はゲージ場テンソルであり、対応するゲージ場をA_{\mu}、群の構造定数f^{abc}とすると

F_{\mu \nu}^a = \partial_\mu A_\nu^a - \partial_\nu A_\mu^a + g f^{abc}A_\mu^b A_\nu^c

と定義される。ここに現れた定数gが理論のゲージ結合定数である。他にも、g共変微分の中に現れ、

D_\mu = \partial_\mu - igA_\mu^a T^a

結果としてゲージ場と他の場との相互作用項の強さを表す。

弱結合と強結合[編集]

無次元量の結合定数gを持つ場の量子論において、結合定数が1と比べて十分小さい(g\ll1オーダーであるとき、その理論における結合を弱結合と呼ぶ。この場合、理論は結合定数gの級数展開による摂動論によって記述される。

一方、結合定数が1と同等かそれ以上のオーダーであるとき、その理論における結合を強結合と呼ぶ。例えば、量子色力学において、高エネルギー領域における漸近的自由性が弱結合であり、低エネルギー領域におけるクォークの閉じ込めが強結合である。

有効結合定数[編集]

量子電磁力学における繰り込み。左図は裸の状態、実際には右図のような多くの真空偏極が含まれている。

場の量子論において、短い時間に生成消滅する仮想粒子は可能な限りあらゆる相互作用を引き起こす。これは、不確定性原理

\Delta E\Delta t\ge\hbar

によって、短い時間間隔\Delta tにおいては、\Delta E程度のエネルギー保存則の破れが許されるためである。このような量子効果によって計算中に無限大が現れ、それと相殺するように質量や電荷といった複数のパラメータを再定義して無限大を取り除く操作が繰り込みである。繰り込みによって結合定数が繰り込まれるとき、ラグランジアン密度の中に含まれる繰り込まれる前の元々の結合定数を裸の結合定数(bare coupling constant)と呼ぶ。

繰り込まれた結合定数は、繰り込み点カットオフのような任意のエネルギースケールによって変動する。このことから、相互作用の起こるエネルギー領域(粒子の運動量など)が変化すると、それに伴い結合定数が変化する。このようなエネルギースケールに依存して変化する結合定数を有効結合定数(effective coupling constant)、あるいは走る結合定数(running coupling constant)と呼ぶ。これらの理論は繰り込み群によって記述される。

ベータ関数[編集]

場の量子論において、エネルギースケールの変化に伴い結合定数の値が変化するとき、ベータ関数が以下のように定義される。

\beta(g) = \mu\,\frac{\partial g}{\partial \mu} = \frac{\partial g}{\partial \ln \mu}

ここで、μはエネルギースケール、gは結合定数である。

ベータ関数が0であるとき、その理論はスケール不変となる。しかし、ある古典場の理論がスケール不変であるとしても、それに対応する場の量子論の結合定数が変動することがある。この場合、0でないベータ関数は、古典的なスケール不変性が共形異常であることを意味している。

QEDとランダウ・ポール[編集]

ベータ関数が正の値をとるとき、エネルギースケールの増加に伴い結合定数は増加する。この例は量子電磁力学(QED)において現れ、QEDのベータ関数が常に正であることは摂動論によって示される。特に、低エネルギースケール(遠距離領域)において、微細構造定数はα ≈ 1/137となる一方で、およそ90GeVの質量スケールを持つZボソンではα ≈ 1/127となる。

一方、高エネルギースケール(近距離領域)においては、エネルギースケールが大きくなるにつれて結合が強くなる。実際、ある有限のエネルギーにおいてQEDの結合定数は無限大となる。この現象は、レフ・ランダウによって初めて指摘されランダウ・ポールと呼ばれている。しかし、高エネルギースケールにおいて摂動論によるベータ関数が正しい結果を与えることは期待できず、ランダウ・ポールは摂動論が適用できない領域で摂動論を適用した為に生じた人為的な結果であると考えられている。高エネルギースケールにおける結合定数の正しい振る舞いは摂動論で解析できず、非摂動的な方法が必要となる。

QCDと漸近的自由性[編集]

非可換ゲージ理論においてはベータ関数が負の値をとる場合がある。一例として、量子色力学(QCD)のベータ関数は特定の条件を満たしている限り常に負の値をとり、このときエネルギースケールの増加に伴い結合定数は減少する。

高エネルギースケール(近距離領域)において、QCDの結合定数は対数関数的に減少する。この弱結合領域の現象は漸近的自由性として知られており、高エネルギースケールにおける結合定数は摂動的な近似により以下のように表される。理論のエネルギースケールをQとすると

 \alpha_s(Q^2) \equiv  \frac{g_s^2(Q^2)}{4\pi} \approx \frac1{\beta_0\ln(Q^2/\Lambda^2)}

ただし、

\beta_0 = \frac{33-2n_f}{6\pi}

であり、n_fはクォークのフレーバー数、\LambdaはQCDスケールである。

一方、エネルギースケールの減少に伴い結合定数は増加する。これは、低エネルギースケール(遠距離領域)においてQCDの結合が強くなることを意味しており、クォークの閉じ込めを示唆する証拠にはなっているが、この領域での結合定数の振る舞いは摂動論によって解析できず、非摂動的な方法が必要となる。

QCDスケール[編集]

強い相互作用の結合定数のエネルギースケール依存性の考察から、QCDはエネルギースケールQをある値\Lambdaまで下げる(Q \to \Lambda)ことで、結合定数が無限大に発散する(\alpha_s \to \infty)理論であることが分かる。このときのエネルギースケールΛはQCDスケールと呼ばれ、QCDに摂動論が適用できるのは、エネルギースケールがQCDスケールより十分大きい領域(Q \gg \Lambda)である。この値は理論によって決定されず、実験的に得られた結合定数などから算出される。強い相互作用の結合定数\alpha_sとそれに対応するQCDスケール\Lambdaは2009年時点で、以下の数値をとることが知られている[1]

\alpha_s = 0.1184 \pm 0.0007
\Lambda_{QCD} = 213 \pm 9 {\rm\ MeV}

統一場理論[編集]

相互作用が起こるときのエネルギースケールが大きくなると、それに伴い、強い相互作用は段々と弱くなり、一方で電磁相互作用は段々と強くなっていく。この事実から予想されるように、各々の相互作用の結合定数は現在観測されうる限りの低エネルギー領域では異なるが、高エネルギー領域におけるある一点で同一の値になると期待されている。このときのエネルギースケールは10^{16}GeVと言われている。このように重力相互作用を除く3つの相互作用を全て統一しようする試みが、大統一理論である。

弦理論における結合定数[編集]

弦理論超弦理論における結合定数は、場の量子論におけるそれとは全く性質が異なる。各々の摂動論的な弦理論の記述は弦の結合定数に依存する。しかし、弦理論の場合は、結合定数は予め決定されている定数ではなく、時空の位置に依存する力学的なスカラー場(ディラトン場)によって決定される。

関連項目[編集]

参考[編集]

  • An introduction to quantum field theory, by M.E.Peskin and H.D.Schroeder, ISBN 0-201-50397-2

脚注[編集]

  1. ^ Siegfried Bethke (2009). “The 2009 World Average of \alpha_s”. European Physical Journal C 64: 689-703. doi:10.1140/epjc/s10052-009-1173-1.