第28部 functional RGの近似――potential flow、derivative expansion、誤差

1. \(O(N)\) derivative expansion

\(O(N)\) invariant

\[ \rho=\frac12\boldsymbol\phi^2 \]

を用い、effective average actionを

\[ \Gamma_k[\boldsymbol\phi] =\int d^dx\left[ U_k(\rho) +\frac12Z_k(\rho)(\partial_\mu\boldsymbol\phi)^2 +\frac14Y_k(\rho)(\partial_\mu\rho)^2 +O(\partial^4) \right] \]

と展開する。これはfield amplitude依存をpotential関数として保持し、momentum依存を微分次数で整理するderivative expansionである。

  • LPA: \(U_k(\rho)\)だけを流し、\(Z_k=1\)。
  • LPA\('\): \(U_k\) とfield-independent \(Z_k\) を流し、\(\eta\)を含める。
  • 高次: \(Z_k(\rho),Y_k(\rho)\)、\(O(\partial^4)\) 演算子を含める。

polynomial truncation \(U_k=\sum_{n=0}^{n_{\max}}\lambda_{n,k}(\rho-\kappa_k)^n/n!\) は、derivative expansionとは別のfield-space truncationである。

2. constant backgroundでHessianを対角化する

背景場を第1成分方向に取り

\[ \boldsymbol\phi=(\sqrt{2\rho},0,\ldots,0) \]

とする。LPAでpotential Hessianは

\[ \frac{\partial^2U}{\partial\phi_a\partial\phi_b} =U'(\rho)\delta_{ab} +U''(\rho)\phi_a\phi_b. \]

従って \(N-1\) 個のtransverse modeと1個のradial modeのmassは

\[ m_T^2=U_k'(\rho), \qquad m_R^2=U_k'(\rho)+2\rho U_k''(\rho). \]

Wetterich式へ代入すると

\[ \partial_tU_k(\rho) =\frac12\int\frac{d^dq}{(2\pi)^d}\, \partial_tR_k(q) \left[ \frac{N-1}{Z_kq^2+R_k+m_T^2} +\frac1{Z_kq^2+R_k+m_R^2} \right]. \]

この式は任意のpotential形を保ったLPA/LPA\('\) flowの出発点である。

3. dimensionless flowと固定関数

\[ \tilde\rho=Z_kk^{2-d}\rho, \qquad u_k(\tilde\rho)=k^{-d}U_k(\rho), \qquad \eta_k=-\partial_t\log Z_k \]

を定義する。dimensionless potentialのflowは概略

\[ \partial_tu =-du+(d-2+\eta)\tilde\rho\,u' +2v_d\left[ (N-1)l_0^d(u';\eta) +l_0^d(u'+2\tilde\rho u'';\eta) \right]. \]

\(v_d\) は角度積分係数、\(l_0^d\) はregulatorに依存するthreshold functionである。固定点は有限個のcouplingの零点でなく

\[ \partial_tu_*(\tilde\rho)=0 \]

を満たす固定関数として求める。

固定関数の周りで

\[ u_k=u_*+\epsilon e^{-\theta t}f(\tilde\rho) \]

と線形化すると固有値問題が得られる。flow時刻の向きによる符号規約を確認した上で、relevantな温度固有値から \(1/\nu\)、leading irrelevant固有値から \(\omega\) を読む。

4. thresholdとdecoupling

分母に \(m^2/k^2\) が入るため、\(m^2\gg k^2\) のmodeの寄与はthreshold functionで抑制される。これはFRGでmassive modeのdecouplingがflow内に連続的に実装される仕組みである。

sharp cutoffのshell pictureと違い、smooth regulatorでは有限幅の運動量が重み付きでflowへ寄与する。物理的observableはexact解ならregulatorに依存しないが、有限truncationでは残留依存がある。

5. anomalous dimension

LPAでは \(Z_k\) を固定するため

\[ \eta=0 \]

が近似の定義上固定される。相互作用固定点で非零の \(\eta\) を得るには、二点vertexの外部運動量依存を取り出し

\[ \partial_tZ_k \propto \left.\frac{\partial}{\partial p^2} \partial_t\Gamma_k^{(2)}(p,-p) \right|_{p=0} \]

のように射影する。LPA\('\) は一つの \(Z_k\) だけを保ち、より高次ではfield依存や複数tensor構造を分ける。

したがってLPAの \(\eta=0\) を理論の予言と呼んではならない。それは捨てたmomentum dependenceの直接の帰結である。

6. regulator choice

\(R_k\) はIR正則化、UV初期条件、数値安定性を満たす範囲で任意性がある。exact observableはこの選択に依存しない。有限truncationで結果が変わるため、

  • regulator family内のvariation。
  • derivative orderを上げた変化。
  • field gridとpolynomial expansionの比較。
  • expansion pointとfield rangeのvariation。

を誤差診断に使う。

principle of minimal sensitivityやoptimized regulatorは収束を改善しうるが、stationary pointが真値を保証する定理ではない。regulator variationだけを全truncation errorと同一視してもいけない。

7. polynomialとgrid

potential最小点 \(\kappa_k\) の周りのpolynomial展開は少数の常微分方程式へ還元できるが、radius of convergence外の構造や複数minimumを見落としうる。field gridで偏微分方程式として解けばglobal shapeを保てるが、離散化・境界条件・剛性の誤差が入る。

first-order transitionやmetastabilityを扱うとき、局所polynomialだけではbarrierを失うことがある。\(k\to0\) のfull effective potentialはconvexになる一方、有限 \(k\) のcoarse-grained potentialにはbarrierが残り、nucleation記述に使われる。この二つを矛盾とみなさない。

8. controlledかどうか

derivative expansionは外部momentumがregulator scaleに比べて滑らかな問題で有効だが、常に小さい明示parameterをもつとは限らない。精度は次数間収束、他手法との比較、regulator安定性で経験的・系統的に評価する。

\(\epsilon\ll1\)、\(1/N\ll1\) の極限では摂動展開と照合できる。三次元Isingではbootstrap、Monte Carlo、高loop再総和との一致が検証になる。強いmomentum依存、Fermi surface、gauge制約、リアルタイムでは単純derivative expansionが不十分なことがある。

現代的な応用とtruncationの整理は Dupuis et al. (2021) を参照する。

証拠水準

  • potential flowへの射影: Wetterich恒等式にansatzを代入した [Exact projection before truncation closure]。
  • LPA/LPA\('\)とderivative expansion: [Systematic nonperturbative approximation]。
  • regulator variationと次数収束: [Error diagnostic] であり、一般的なrigorous error barではない。
  • 他手法との指数一致: [Cross-validation]。方程式のexact性をtruncated解へ移さない。

章末整理

この章で分かったこと

Wetterich方程式をderivative expansionへ射影し、\(O(N)\) potentialのtransverse・radial threshold flowを導ける。

その結果、何が説明できるようになったか

固定関数、mass decoupling、anomalous dimension、regulator依存を一つの計算枠組みで扱える。

まだ説明できていないこと

具体的な数値積分、higher-derivative basisの完全分類、real-time FRGは未展開である。

よくある誤解

  • LPAの \(\eta=0\) はexact resultではない。
  • regulator依存が小さいだけで全誤差が小さいとは限らない。
  • \(k\to0\) のconvexityと有限 \(k\) のbarrierは矛盾しない。

次に自然に出てくる疑問

物理的RG図のどの部分が数学的定理として構成され、三次元Ising universalityには何が未証明か。