Mở đầu Một khái niệm quan trọng nhất trong mô hình lý thuyết hạt là sự phá vỡ đối xứng tự phát (83B). Trong suốt quá trình giãn nở của Vũ trụ, các đối xứng lại phá vỡ lần lượt tương ứng với các quá trình chuyển pha. Chúng ta, có thể có niềm tin hợp lý rằng có một chuyển pha như vậy tại nhiệt độ khoảng 300 GeV và thời gian khoảng 10-1! giây, xảy ra trong quá trình phá vở đối xứng từ SU(2)„ s U(1)y —> U(1)gw [9]. Nếu ta xét một trường vô hướng cổ điển x tương tác với trường chuẩn, sự tương tác này ảnh hưởng đến trạng thái của nó.
Trong Vũ trụ sớm, ảnh hưởng này có thể được mô tả bằng một hàm phụ thuộc vào giá trị chân không ø và nhiệt độ 7, hàm này gọi là thế hiệu dụng. Ta đã biết tại nhiệt độ cao thế hiệu dụng chỉ có một cực tiéu tai y = 0. Két qua lA tat cA cdc fermion va boson khong có khối lượng, và ta nói rằng đối xứng được phục hồi. Do Vũ trụ giãn nở, và nhiệt độ giảm đến một giá trị nào đó, thế hiệu dụng có sự chuyển pha xảy ra, sự chuyển pha này có thể là chuyển pha loai ] hoặc là loại 2.
Thế hiệu dụng có đóng góp của trường vô hướng Trước tiên chúng ta xem xét mô hình mô tả một trường vô hướng thực tự tương tác. Trường vô hướng này thỏa mãn phương trình chuyển động sau [2]: 1. Thế hiệu dựng có đóng góp của trường uô hướng 8 1 58„xØ"x + V'(v) =0, (1.1) trong đó V7 = * thế V là tổng quát chưa biết. Trường x có thể tách thành một thành phần đồng nhất (không phụ thuộc vào không gian z) và bất đồng nhất ¢(¢, 2) (phụ thuộc vào không gian z) sao cho trị trung bình của (t,x) bang 0 va xứ,x) = x(t) + (t,x).
Vậy x() là giá trị trung bình chân không (VEV) của trường x. Áp dụng khai triển Taylor cho hàm ƒ(zo + h) có dạng: Hee £ 0) = Hea)-+ yt ender yt ay + + xt ?ƒ(ag)h” +:-- + mm, + O(h"*).2) Trong đó đ"ƒ(zo) là đạo hàm cấp n cia ham ƒ(zo + h) tại giá zo. Déi vdi ham V(x(t) + ¢(¢,x)), 4p dụng khai triển Taylor theo lũy thừa của ó(,x) chúng ta thu được: T5 9y 6 Ø% ØV(y) | - a POV(x “| 33 | +0(é). (13) Trong công thức (1.
Do chúng ta chỉ xét đến đóng góp gần đúng một vòng, nên bỏ qua các số hạng bậc cao từ ớ trở lên.3) được viết lại: ae ) 0 0V (v) TX | (1.4) X=X ) theo x và thu được: ) ae (5) x= OX. ox to) +65 se (So ta dao ham cấp 1 hai về của biểu thức (14 „ ụ P S0 (2v6 vo= 2 (vel 1. Thế hiệu dựng có đóng góp của trường uô hướng 9 Do V(y) - và obo - là các giá trị của các hàm tại x = x và không phụ thuộc X=X X=X vào x. Nên đạo ham của chúng theo biến x sẽ bằng 0.
Như vậy số hạng thứ nhất và số hạng thứ hai trong công thức (1. Ta lại có oe = th) = 1, nên (1.5) xX xX dude viét lai 9V() , „ØV() , ø A PV(X) f — ————— —— V(x) = Dy +o 2x 20y 0x 7 (1.6) Trong đó, ta đã kí hiệu lại, 2 V{x)= _ : V"(y)= orbs : V”“(y)= oer) - X lv=y X 5X lý=x XOX Wax Vì vậy (1.6) được viết lại ¿2 V4) =ÝY@)+øV“@) + V6): (1.7) lấy trung bình theo không gian, thế vào (1.1), và nhớ rằng trị trung bình ó bằng 0, ta được: 1 1 30,xØ"x + Vf() + 5V”) (22) = 0. (18) Hai số hạng cuối cùng trong công thức (1.8) có thể xem là đạo hàm của một đại lượng mới, đại lượng này được gọi là thế hiệu dung V(x,T). Luu ¥ rang hai số hạng cuối trong (1.8) là các hàm theo „ sao khi lấy trung bình theo toàn không gian.
Giá trị trung bình của (2?) trong công thức (1.8) được xác định tính toán theo thống kế Bose-Einstein như trong [2|. Đối với trường vô hướng thực, số hạng khối lượng mà(X) =V”(x)>0 và on | ng ( với nạ là số hạt có trạng thái k, k = || + 5) dk, (1. Thế hiệu dựng có đóng góp của trường uô hướng 10 Thành phần thứ 3 trong (1.8) có thể được viết lại như sau: 2Y20)(2) = mm mi ()=mv0j| (3 X=X ¬ Øm2(x) 2 — Am2 (x) 1 k2 1 dk ~ 39 (0) = gã We mm. X lÌy=gy X ly=yZ" k2 + m2(x) 1 d V(x) Ô vự 1 Øm2( k?dk 1 Øm2(x) kÈnydk — 8m2 2 2 + 4m2 Ox Wa 2 X=š me 2) )+k X=X m3 (X) +k Vig ØV›¿ OX yay 2X lv-y (1.10) thế có dạng bất kì, chúng ta sử dụng điều kiện cho trường vô hướng thì m2(X) =V"(xX) = 0, ta dat: ộ Mol ca Hệ ) of na (1.11) ax X=X 8n? X=X mẠ(X) )+ k2 gọi là số hạng đóng góp chân không và Øm2( oe _ a yf k?npdk (1.12) X ly=x x=X m3(X) + k?` là số hạng đóng góp nhiệt.
Kết quả cụ thể của hai số hạng này sẽ được tính toán chỉ tiết ở phần dưới đây. Như vậy, công thức tính tổng quát của thế hiêu dụng trong trường vô hướng thực Vi Ox ØW2¿ x Ox V0) = V1) + SVM) (8) = VQ) + (1.13) X=X - Xét thế hiệu dụng có đóng góp chân không 1. Thế hiệu dựng có đóng góp của trường uô hướng 11 ta CỐ: T2 av 1 ora) k?dl: woe) = Fe] =e | Tên X Iyex m3(X) + k? Ø (1 [* > = Oy Oy k ame) " 8 (1 ƒ#; = oR (= / Kena) + a) (1.14) Dấu bằng cuối cùng trong (1.14) có được là vì tích phân không không lấy theo biến x hay x.14) là phân kì khi & — œ. Để khử phân kì trong tích phân (1.14) bằng cách cắt xung lượng k¿ = M va ta dat mg(X) = mạ tích phân (1.14) được viết lại Vị¿ = me J __ -+ k2dk (1.15) Myf (20? + m3) + mn |2 (M+ VA£ + m2)] 32m2 Sử dụng khai triển Taylor cho (1.15), chúng ta được: M.u\/ M2 + m2 2 (MP + nộ ) + min [2 (r+ ÁP? + sã)| Vie = 3272 M4 mM 2 mộ mộ, mộ 1 =—=s+- =1.
162 T "6n? † T2g„z + 39,2 to + gy,2 Many + M4 mM? m4 1 mộ \ — 16m? Ì l6? 7 39,2 BM „ 32m) ng† (116) , ms nA. + 350 walnut 3 Inel+ 55% In _ M4 mo l TIẾN mộ (= + _ 16x? lữm?.17) Tom * 'Tốn” 322" am, 1. Thế hiệu dựng có đóng góp của trường uô hướng 12 Trong công thức (1.16) ta đưa thêm tham số tùy ý /, tham số này còn được gọi là tham số tái chuẩn hóa [2|. Ta có thể xem nó là khối lượng của hạt tại một giá trị cụ thể của X = xo nào đó.
- Xót số hạng đóng góp nhiệt Tiếp theo ta tính số hạng đóng góp nhiệt vào thế hiệu dụng, tại thời điểm này trường không còn ở trạng thái chân không. Số hạng n„ được xác định theo công thttc Bose-Einstein: (1.18) với pig IA thé héa hoc, T 1A nhiét d6 ctia hé, ¢ = we = x/k?+ mộ, Bỏ qua thế hóa học Họ và xét trường hợp ø¿ > 1 thay (1.9) ta được k?dh 1 CO npdk = a | ừ Peo ae Trang 0 we(e® —1) %4 Tả — m2 VT T22, a(+) (1.19) =a et —1 a, “Vror (=) T202 009 — g— 0) Qn? me et —1 T 2n2ˆ— `T`T .20) Theo [2| để tính tích phân trong công thức (1.20) ta áp dụng công thức tính sau: % („9 _ aạ2\/2 % („2 _ a32\/2 („3 [T42 (a? = a7)? W(a.8)= fo aes [ae (1.21) Áp dụng công thức (1.21) cho trudng hop v = 1 thi ta được công thức J$ có dạng: 172 — 18? — a2 — B2 — ta? (In() + C— !) +. Thế hiệu dựng có đóng góp của trường uô hướng 13 khi 6 =0 thi (1.22) được viết lại ym — ma ~ 30” (In (7) + C — 5) + O(a, 0), I? (a, 0) = (1. Với C 1a hang sé Euler va C ~ 0.
Từ hàm JL) (a,0) chúng ta được thành phần trung bình của bình phương trường vô hướng theo nhiệt độ (61. =5 EO (22) Ro 2m? fro c# T1 ATS’ (1.8 )ta có 1 m= 2 _ av" 2 ams 2 _ ôm? 79 (1) me (X) DV" OO n= aay " (n= Day a dr = Bay wie VT 70 — 0(nT”) T” J0 mạ(X) 0Ì= da? T1 J0 me(X) 0 (1 25) IPay | _ 4n (T7 20x| 4a" (OT _ ada Ta) mo(X) gÌ — da Tt po (me) 9) _ V0 Ox yey A? — T` Ôx4z2 “~ T Ox x=t „ : Mé trong đó V” = mộ, œ= T và T4 T (1) T4 Me (1 26) Voo = =| aJt (a,0)4a = 25 F(8),. Kết quả cuối cùng của thế hiệu dụng của trường vô hướng bao gồm cả đóng góp nhiệt và chân không _ Vig , Wag V = View = V(X) + (Se +—— (x) of f (x) ox ox yey m4 m2 T4 mM =V(vy —?_ _? — _? Voff = V(x) + 642 In = + 7-( T ). Thế hiệu dựng có đóng góp của trường uô hướng 14 my [.
ad (a, 0)da = [ * lạm — œ — san (s (=) +C— ›)| da mà((C32m¿zT + 16n”T® + 3m2(3 — 4C + In[256] + 4In[x]) — 12m2 In[“#]) | 5| I 967% me —32m3T + 16m2x?T? + 9mộ + 6m, | =2 + 2ln[4z] — In fe 7 9671 2 ~32m3T + 16m2z°T? + Imé, + 6mé, In Đệ mộ ˆ 967° (1.28) T me) — _ mộT + mà7° + ms In ayT2 3m, ae) “Tâm 241 60m3 "| m2 | 128: trong đó mm = m„; In|a| = 2ln|4z] — 2C 3.27) viết lại một cách tường minh như sau: 292 4 _ mộT ms ae 3m (1. Thé V(x) la _ Xo —4 mà _9 V(X) = GX + x + Ao, (1.30) ta có khối lượng của hạt có dạng mặ=V"=AoX? +m. Lúc này V22 trở thành một đa thức theo các lãy thừa của x, x2. x0, từ đó ta có thể gộp hệ số nhân với các lũy thừa này vào các lñy thừa của thế Vy có số bậc tương ứng.
Kết quả của việc làm này gọi là các hằng số trần Ao , mọ, Ao trở thành các hằng số đã được tái chuẩn hóa AR SMR ; Ar. Thế hiệu dụng có đóng góp của trường uô hướng phúc va boson chuan 15 1. Thế hiệu dụng có đóng góp của trường vô hướng phức và boson chuẩn Kết quả tính toán thế hiệu dụng hoàn toàn giống như trong trường vô hướng thực, nhưng ta nhân thêm vào đóng góp các hệ số bậc tự do của hai trường này.