Group_theory_lecture
.pdfусловия унитарности(3.11.6)получаем |
|
[B1, B2] = 0. Т . оB.1,2 |
|
могут быть одно- |
|
|||||||||||||||||||||||
временно диагонализованы ортогональным преобразованием O и соответственно |
|
|||||||||||||||||||||||||||
получить B = diag(eiβ1 , eiβ2 , . . .). Выбирая затем U′ = diag(eiβ1/2, eiβ2/2, . . .) мы |
|
|||||||||||||||||||||||||||
приводим B к единичному виду с помощью матрицы U = U′ O. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
Найдем явный вид преобразования U. Для этого заметим, |
|
что матрица B в |
|
|||||||||||||||||||||||||
размерностях d = 2, 4 mod(8) имеет явный вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
B = |
−i |
0 |
|
|
0 |
1 |
|
|
B′ |
|
0 |
1 |
|
|
B′ |
· · · |
|
, |
|
(3.11.8) |
17 |
|||||||
|
|
0 i |
|
1 0 |
|
|
|
1 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
где блоки B′ равны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
B′ = |
0 |
|
−1 |
|
|
0 |
1 |
|
|
|
0 |
1 |
, |
B′ (B′) |
= 1 . |
|
(3.11.9) |
18 |
||||||||||
|
1 0 |
|
1 0 |
|
−1 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Для матриц B1 = |
−i |
0 |
|
и B2 |
= |
|
0 |
1 |
|
существуют соответствующие мат- |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
0 |
|
i |
|
|
|
|
|
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рицы U1,2, которые приводят их к единичному виду: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
U1 = R |
· |
eiπ/4 |
|
0iπ/4 |
, U2 = |
a a |
, a, d |
|
C . |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
e− |
|
|
|
|
d d |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Т.о.для приведения к единичному виду матрицы |
|
B′ |
необходимо найти матрицу |
|
||||||||||||||||||||||||
U3, соответствующую матрице |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
= 0 −1 |
|
0 1 = |
0 |
0 |
0 −1 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
B3 |
|
0 0 1 0 |
|
. |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 0 |
|
|
|
1 0 |
|
|
|
0 |
1 0 0 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эта матрица имеет блочный вид |
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
U3 = |
A B |
|
, B = A |
|
0 −1 |
|
, D = C |
|
0 −1 |
, |
|
|||||||||||||||||
|
C D |
|
|
|
|
|
|
1 0 |
|
|
|
|
|
|
|
1 0 |
|
|
||||||||||
Интересно получить,используя явный вид для матрицы |
U, явные чисто мнимые |
|
||||||||||||||||||||||||||
представления для матриц γm (в силу уравнения(3.10.28)для |
|
B = 1). |
|
|||||||||||||||||||||||||
Теперь мы более подробно обсудим свойства спиноров в четномерных про- |
|
|||||||||||||||||||||||||||
странствах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определим майорановское сопряжение ψ(M) ≡ ψT C. Легко проверить, что при лоренцевых поворотах спинор ψ(M) преобразуется также как и ψ (3.10.40).Если
171
спинор ψ удовлетворяет условию майорановости(3.11.4),то дираковское сопряжение переходит в майорановское сопряжение:
|
= ψ†γ0 = ψT BT γ0 = −ψT γ0Cγ0 = ψT C |
(3.11.10) mct |
ψ |
Другими словами условие майорановости можно представить в виде ψ = ψ(M). Аналогично(3.10.12)определим
|
γD+1 = (i)ν+1 γ0 · · ·γD−1 = σ3 σ3 · · · σ3 , |
|
(3.11.11) |
G5 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
γ2 |
= 1 , γ |
= ( )ν+1Bγ |
D+1 |
B−1 |
, γ |
D+1 |
γ |
m |
+ γ |
m |
γ |
D+1 |
= 0 . |
|
D+1 |
D+1 |
− |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
С помощью матрицы γD+1 определяются вейлевские спиноры |
|
|
||||||||||||
|
|
(γD+1 + 1)ψ = 0 |
(γD+1 − 1)ψ = 0 . |
|
(3.11.12) |
weyl |
||||||||
Для майорановских спиноров(3.11.4)из этих условий следует |
|
|
|
0 = (γD+1 ± 1)ψ = ((−)ν+1BγD+1B−1 ± 1)ψ = B((−)ν+1γD+1 ± 1)ψ
Т.о.,при ψ ̸= 0, условия (3.11.12) совместны с условием майорановости(3.11.4) только для случая нечетных ν или (D = 2 mod(4)). Так как майорановские спиноры существуют только при (D = 2, 4 mod(8)), мы заключаем, что нену - левые майорано-вейлевские спиноры могут быть определены только для D = 2, 10, 18, 26, . . . = 2 mod(8).
Добавление1.Ковариантность уравнения Дирака. |
|
|
|||||||
Уравнение Дирака(3.11.1)должно бы |
ть ковариантно по отношению к преобра- |
|
|||||||
зованиям группы Лоренца(Пуанкаре).П |
усть координаты пространства Минков- |
|
|||||||
ского преобразуются по правилам(3.8.13) |
xn → x˜n = xm(Λ−1)mn. Тогда преобразо- |
|
|||||||
ванное уравнение Дирака,в силу его ковариантности, должно иметь вид |
|
|
|||||||
|
|
|
,γm(i∂˜m − eA˜m(˜x)) − M- ψ˜(˜x) = 0 , |
(3.11.13) |
15L |
||||
(γ-матрицы не преобразуются).Преобразова |
ния полей должны быть такими,что- |
|
|||||||
бы это уравнение было эквивалентно(3.11.1).Форма коммутационных соотноше- |
|
||||||||
˜ |
|
n |
n |
|
|
˜ |
n |
|
|
ний [∂m, x˜ |
|
] = δm диктует преобразование |
∂m |
= Λm∂n. Т . к . производная m = |
|
||||
˜ |
˜ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(i∂m − eAm(˜x)) должна трансформироваться ковариантно, мы имеем |
|
|
|||||||
|
|
|
˜ |
˜ |
n |
|
|
(3.11.14) |
dop3a |
|
|
|
(i∂m − eAm(˜x)) =Λ m(i∂n − e An(x)) |
172
и соответствующее преобразование калибровочного поля Am имеет вид |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
˜ |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.11.15) |
dop3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Am(˜x) = Λm An(x) . |
|
|
|
||||||||||||||||
Подставим(3.11.14)в(3.11.13) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
(γ |
m |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
˜ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Λm(i∂n |
− e An(x)) − M) ψ(˜x) = 0 , |
|
|
|
||||||||||||||||||
и пусть существует оператор S такой,что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SγnS−1 = γmΛmn . |
|
|
|
(3.11.16) |
dop4s |
|||||||||||||
Это соотношение в инфинитезимальной форме для S = 1 + T + . . . эквивалентно |
|
||||||||||||||||||||||||||
условию |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[T,γ n] = γmωmn = γmωmn = −ωnmγm |
|
|
|
||||||||||||||||||||
Произвол в определении T фиксируется равенством [γn, T − T ′] = 0 и,т.к.пред- |
|
||||||||||||||||||||||||||
ставление |
γn |
неприводимо,то |
T |
− |
T ′ |
= const |
· |
I |
|
T |
определяется с точностью до |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, т . е . |
|
||||||||||||||||
прибавления матрицы,которая пропорцио |
нальна единичной матрице.Фиксируем |
|
|||||||||||||||||||||||||
этот произвол требованием Tr(T ) = 0 (det(S) = 1).Тогда из(3.10.39)следует,что |
|
||||||||||||||||||||||||||
T = 21 ωmnγmn (т.к. Tr(γmn) = 0) и соотношение(3.11.16)переписывается в виде |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
(3.11.17) |
|
|||
|
|
|
γmΛmn = exp( |
|
ωmnγmn)γn exp(− |
|
ωmnγmn) |
|
dop4 |
||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
2 |
|
||||||||||||||||||||||
Теперь,учитывая(3.11.17),для ковариа |
|
|
нтности уравнения(3.11.13)мы должны |
|
|||||||||||||||||||||||
потребовать следующее правило преобразования спинорных полей |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
exp(− |
1 |
ω |
mn |
|
˜ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.11.18) |
dop5 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γmn)ψ(˜x) = ψ(x) . |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||||||||||||||||||
Формулу(3.11.18)можно переписать в виде(см. (3.8.13), (3.9.35)) |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
˜ |
|
1 |
mn |
γmn)ψ(x |
m |
|
|
n |
|
|
|
|
|
1 |
|
mn |
|
|
|
n |
m |
n |
|
||||
ψ(x) = exp(2 ω |
|
|
Λm) = (1 + 2 ω |
|
|
γmn + ...)ψ(x + x |
|
ωm + ...) = |
|
||||||||||||||||||
= (1 + 21 ωmnγmn + xmωmn∂n + ...)ψ(x) = (1 + 21 ωmnγmn + 21 ωmn Mmn + . . .)ψ(x) . |
dop6 |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.11.19) |
|
Т.о.полными генераторами преобразова |
ния Лоренца на спинорных полях явля- |
|
|||||||||||||||||||||||||
ются операторы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Mmn(tot) = Mmn + γmn = (xm∂n − xn∂m) + |
1 |
(γmγn − γnγm) |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
4 |
|
||||||||||||||||||||||||
Вспоминая ком.соотношения для |
|
|
|
Mmn (3.8.15)и |
γmn (3.10.33)и очевидные условия |
|
|||||||||||||||||||||
[Mmn, γkl] = 0, мы получем, что полный угловой момент Mmn(tot) удовлетворяет тем |
|
||||||||||||||||||||||||||
же ком.правилам(3.8.15). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
173
Добавление2.Тождества Фирца.
Вычислим след Tr от произвольного произведения γ-матриц,удовлетворяющих
алгебре Cl(p,q) с произвольной метрикой gmn (3.10.24)Прежде. |
всего след от произ- |
|
ведения нечетного числа γ-матриц равен нулю.Действительно,пусть |
mi ̸= D + 1 |
|
( i): |
|
|
Tr(γm1 · · ·γm2k+1 ) = Tr(γD+1γD+1γm1 · · ·γm2k+1 ) = Tr(γD+1γm1 · · ·γm2k+1 γD+1) = = −Tr(γD+1γD+1γm1 · · ·γm2k+1 ) = −Tr(γm1 · · ·γm2k+1 ) = 0 .
Здесь мы воспользовались циклическим свойсвом следа,а затем последней фор-
мулой в(3.11.11).Кроме того мы имеем |
Tr(γD+1) = 0, т . к . для четногоD = 2ν |
справедливо |
|
Tr(γD+1) = Tr(γ0γ1 · · ·γD−1) = Tr(γ1 · · ·γD−1γ0) = −Tr(γ0γ1 · · ·γD−1) = 0 .
Если мы определим gD+1,D+1 = 1, то соотношения(3.10.24)применимы для всех матриц γ0, . . . ,γ D−1, γD+1 и этот набор матриц очевидно определяет представление алгебры Клиффорда в D + 1 = 2ν + 1 измерениях.Теперь легко(см. (3.9.24)) вычислить следы от любого произведения четного числа гамма-матриц γm (m = 0, 1, . . . , D − 1, D + 1)
Tr(γmγn) = 2ν gmn , Tr(γmγnγkγl) = 2ν (gmngkl − gmkgnl + gmlgnk) ,
Tr(γ1γ2γ3γ4γ5γ6) = 2ν [(g12g34 − g13g24 + g14g23)g56 − . . .]
где индексы 1, 2, 3, . . . обозначают m1, m2, m3, . . ., т . еγ.3 := γm3 , g34 := gm3m4 и т . д . Рассмотрим набор из 2D матриц(3.10.3)с учетом замены матриц по правилу
(3.10.23).Этот набор образует полную с |
истему матриц в линейном пространстве |
||||||||||
(2ν × 2ν ) матриц.Введем набор матриц |
Γ |
|
с верхним индексом |
|
|||||||
A |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ΓA = {I,γ m1 , γm2 γm1 , γm3 γm2 γm1 , γ m4 γm3 γm2 γm1 , . . .} |
|
||||||||||
(0 ≤ m1 < m2 < m3 < . . . ≤ D − 1) нормированный таким образом, что |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Tr(Γ B ΓA) = δB , |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
2ν |
|
|
A |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где δABkk = δmn11 δmn22 · · ·δmnkk для мономов одинаковой степени k: |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
(3.11.20) ggA |
||||||
|
|
ΓBk = (γnk γnk−1 . . .γ n1 ) , ΓAk = (γm1 γm2 . . .γmk ) |
174
и δABlk = 0 в случае мономов разной степени k |
̸= l. Теперь для любой (2ν × 2ν) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
матрицы Γ мы имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
Γ = |
|
|
CAΓA , |
|
|
CA = |
|
|
Tr(Γ A Γ) |
|
|
Γ = |
|
|
|
|
|
Tr(Γ A Γ)ΓA , |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
A |
2ν |
|
2ν |
|
A |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
и т . к . матрицаΓ произвольна,то мы получаем условие полноты |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.11.21) |
|
|||||||||||
|
|
δkj δil = |
|
|
(ΓA)kl (ΓA)ij |
|
|
P12 = |
|
|
|
|
|
(ΓA)1 (ΓA)2 , |
ident10 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2ν |
|
2ν |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
из которого например следуют тождества |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
(γm)1 (γm)2 P12 = (γm)2 P12 (γm)2 = (γm)1 P12 (γm)1 |
|
= |
(3.11.22) |
ident11 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(γm)kj (γm)il = |
|
(γmΓA)kl (γmΓA)ij = |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2ν |
|
A |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
1 |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.11.23) |
|
||||||||
= |
|
|
|
(ΓA)kl (γmΓAγm)ij = |
|
|
(γm |
ΓAγm)kl (ΓA)ij . |
ident12 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2ν |
|
|
|
2ν |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Сворачивая тождества(3. |
11.21), (3.11.23)со спинорами , мы получаем тождества |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Фирца |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(−1)g |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.11.24) |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
1ΓAΨ4)( |
|
|
3ΓAΨ2) |
fi1 |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(Ψ1Ψ2)(Ψ3Ψ4) = |
|
|
Ψ |
Ψ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2ν |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
(Ψ1γmΨ2)(Ψ3γmΨ4) = (−1)g |
|
|
|
|
(Ψ1γmΓAΨ4)(Ψ3γmΓAΨ2) = |
(3.11.25) |
fi2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2ν |
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
= (−1)g |
|
|
(Ψ1ΓAΨ4)(Ψ3γmΓAγmΨ2) = (−1)g |
|
|
|
(Ψ1γmΓAγmΨ4)(Ψ3ΓAΨ2) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2ν |
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2ν |
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где g = 0 для коммутирующих и g = 1 для антикоммутирующих спиноров. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Предложение Имеет место тождество |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
γmΓAk γm = (−1)k (D − 2k) ΓAk , |
|
|
|
|
|
|
|
(3.11.26) |
pred?? |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где выражения ΓAk определены в(3.11.20). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
Доказательство. |
|
Действительно мы имеем( |
|
0 ≤ m1 < m2 < m3 < . . . ≤ D − 1) |
|
D−1 |
γm ΓAk γm = |
γm(γm1 γm2 . . .γmk )γm+ |
|
|
|
|
|
||
m=0 |
m̸=m)1,...,mk |
m=m1 |
,...,m |
|
) |
) |
k |
= (−1)k (D − k) ΓAk + γm1 (γm1 γm2 . . .γmk )γm1 + . . . + γmk
(далее будем протаскивать во всех слагаемых γmn справа зоваться тождеством γmn γmn = 1)
= (−1)k (D − k) ΓAk + (−1)k−1γm1 . . .γmk + (−1)k−2γm2 (γ
γm(γm1 γm2 . . .γmk )γm =
(γm1 γm2 . . .γmk )γmk =
на лево до γmn и поль -
m1 γm3 . . .γmk ) + . . . +
175
+(−1) γmk−1 (γm1 γm2 . . .γmk−2 γmk ) + γmk (γm1 γm2 . . .γmk−1 ) = |
|
|||||
= (−1)k (D − k) ΓAk + k (−1)k−1 γm1 . . .γmk . |
|
|||||
Q.E.D. |
|
|
|
|
|
|
Пользуясь соотношением(3.11.26),мы можем переписать(3.11.23)в виде |
|
|||||
1 |
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
k) |
)k |
(3.11.27) ident14 |
||
(γm)1 (γm)2 P12 = 2ν |
(−1)k(D − 2k) |
ΓAk ΓAk = |
||||
|
|
=0 |
A |
|
1.Случай вейлевских спиноров. Пусть спиноры ΨK в (3.11.24), (3.11.25) (K = 1, . . . , 4) являются вейлевскими, т . е . удовлетворяют одному из соотношений(3.11.12). В этом случае мы имеем ΨK (1−γD+1) = 0 (или ΨK (1+γD+1) = 0) и , следовательно,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ΨK γm1 γm2 . . .γmk ΨK′ = 0 ( k) , |
||||||||
где mi = 0, . . . , D − 1. |
|
|
В этом случае ϵ = +1, и пользуясь соот- |
||||||||||
2.Случай майорановских спиноров. |
|||||||||||||
ношениями(3.11.7), (3.11.10),мы имеем |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
K γ(m1,...,mp)ΨK′ = ΨKT C γ(m1,...,mp )ΨK′ = |
|||||||||
|
|
|
Ψ |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.11.28) slmajo |
= (−1) |
g |
T |
T |
ΨK = (−1) |
g+ (p−1)(p−2) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|||||||||||
|
ΨK′ (C γ(m1,...,mp)) |
|
|
|
|
ΨK′γ(m1,...,mp)ΨK |
|||||||
|
|
2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где m1 < m2 < . . . < mp и g = 0 или g = 1 в зависимости от того являются ли спиноры коммутирующими или антикоммутирующими.Соотношение(3.11.28) можно также представить в виде двух тождеств
|
|
|
|
,...,mp)ΨK′ = ( |
|
1)g |
|
|
|
|
ΨK γ(m1 |
|
ΨK′γ(m1,...,mp)ΨK (p = 4k + 1, 4k + 2) , |
||||||||
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
1)g+1 |
|
|
|||||
|
ΨK γ(m1,...,mp)ΨK′ = ( |
ΨK′γ(m1,...,mp)ΨK (p = 4k, 4k + 3) . |
||||||||
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
3.12Лекция20.Вектор Паули-Любанского и операторы Казимира группы Пуанкаре.Представления группы Пуанкаре.Малая группа Вигнера.Индуцированные представления.Массивные и безмассовые представления группы Пуанкаре.
Вектор Паули-Любанскогои и операторы Казимира группы Пуанкаре.
В этой лекции мы следуем изложению, представленному в книгах[21], [20], [22].
176
Напомним,что алгебра Пуанкаре P задается генераторами P m, Mmn, (m, n = |
|
|||||||||||||
0, ..., 3), c определяющими соотношениями(3.8.15), (3.8.16).Перенормируем гене- |
|
|||||||||||||
раторы P m, |
Mmn: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pm = −iPm , Mmn = −i Mmn , |
|
|
|
|
||||||||
так,чтобы они были эрмитовыми операторами |
Pˆm = Pˆm† , Mˆmn = Mˆmn† |
. При этом |
|
|||||||||||
определяющие соотношения(3.8 |
.15), (3.8.16)перепишутся в виде |
|
|
|||||||||||
|
ˆ |
ˆ |
|
ˆ |
ˆ |
|
|
|
ˆ |
|
ˆ |
|
(3.12.1) |
genP2 |
|
[Pn, Pm] = 0 , |
[Pn, Mkm] = i (gmnPk − gknPm) , |
||||||||||||
[Mnm, Mkl] = i(g |
M |
− g |
M |
+ g |
|
M |
− g |
M |
) , |
(3.12.2) |
genP3 |
|||
ˆ |
ˆ |
|
nk ˆ ml |
|
mk ˆ nl |
|
ml ˆ nk |
|
nl ˆ mk |
|
|
|
||
Эта алгебра имеет два оператора Казимира M2, W 2, которые коммутируют со |
|
|||||||||||||
всеми образующими P m, Mmn и,т.о.,определяют центр |
в P: |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
2 |
ˆ ˆm |
, W |
2 |
= Wm W |
m |
, |
|
= Pm P |
|
|
где Wm – компоненты вектора ПаулиЛюбанского(3.9.49)
|
1 |
ˆ nk ˆr |
|
Wm = |
2 |
EmnkrM P |
. |
Используя(3.12.1)и(3.12.2),можно вывести соотношения
ˆm |
ˆ |
Wm P |
= 0 , [Wm, Pn] = 0 , |
ˆ |
|
|
[Mmn, Wk] = i(gmkWn − gnkWm) , |
||
[Wm, Wn] = i EmnkrW |
k ˆr |
, |
P |
(3.12.3) centP
(3.12.4) genPPL
(3.12.5) genP4
(3.12.6) genP5
(3.12.7) genP6
с помощью которых легко доказывается центральность оператора W 2 (централь-
ˆ2 |
очевидна).Соотношения(3.12.5)оч |
евидны.Соотношение(3.12.6)по фор- |
|||||||||||||
ность P |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
ˆ |
|
|
|
|
|
ˆ |
ме совпадает с соотношением для [Mmn, Pk] (3.12.1),что естественно,т.к.и |
|
Pk и Wk |
|||||||||||||
– векторы и действие на них генераторов |
ˆ |
|
|
|
|||||||||||
Mmn алгебры группы Лоренца должно |
|||||||||||||||
совпадать |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
|
1 |
|
mn ˆ |
ˆ |
n ˆ |
|
1 |
|
mn ˆ |
n |
|
|||
δωPk = |
2 |
[ω |
|
Mmn, Pk] = iωk Pn |
δωWk = |
2 |
[ω |
Mmn, Wk] = iωk |
|
Wn . |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.12.8) genP7 |
Прямое доказательство(3.12.6)требует некоторых усилий: |
|
|
|||||||||||||
[Mˆ mn, |
1 |
EkhprMˆ hpPˆr] = |
1 |
Ekhpr |
,[Mˆ mn, Mˆ hp]Pˆr + Mˆ hp[Mˆ mn, Pˆr]- = |
||||||||||
|
|
||||||||||||||
2 |
2 |
= 2Ekhpr ,(gmhMˆ np − gnhMˆ mp + gnpMˆ mh − gmpMˆ nh)Pˆr + Mˆ hp(gmrPˆn − gnrPˆm)- |
, |
|
|
i |
|
177
т.е.мы имеем
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[Mˆmn, Wk] = |
|
,(2EkmprMˆnp + 2EkpnrMˆmp)Pˆr + Mˆ hp(EkhpmPˆn |
−EkhpnPˆm)- . |
|
||||||||||||||||
2 |
ME |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.12.9) |
|
Теперь свернем равенство(3.12.9)с произвольными параметрами |
|
ωmn = −ωnm: |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωmn[Mˆmn, Wk] = |
|
|
,2(ωmnEkmpr + ωmpEknmr)Mˆ npPˆr + 2ωmnMˆ rpEkrpmPˆn- = |
|
|||||||||||||||
|
2 |
|
|||||||||||||||||||
(учтем здесь свойство инвариантности тензора Eknpr относительно преобразований |
|
||||||||||||||||||||
Лоренца: ωmnEkmpr + ωmpEknmr + ωmrEknpm + ωmkEmnpr = 0) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
= |
|
,−2(ωmrEknpm + ωmkEmnpr)Mˆ npPˆr + 2ωmnMˆ rpEkrpmPˆn- = −iωmkEmnpr Mˆ npPˆr = |
|
||||||||||||||||||
2 |
|
||||||||||||||||||||
|
|
= −iω |
mn |
|
|
|
ˆ qp ˆr |
= iω |
mn |
(gmkWn − gnkWm) , |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
gnkEmqpr M P |
|
|
|
|
||||||||||||
что и доказывает(3.12.6).Соотношение(3.12.7)и центральность |
|
|
W 2 теперь легко |
|
|||||||||||||||||
доказывается с помощью второго соотношения(3.12.5)и(3.12.6). |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Представления группы Пуанкаре.Малая группа Вигнера.Индуци- |
|
||||||||||||||||||||
рованные представления. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
идентифицируются с операторами |
|
|||||||
В квантовой теории поля образующие Pk |
|
||||||||||||||||||||
энергии-импульса,а образующие |
|
ˆ |
– с операторами полного углового момен- |
|
|||||||||||||||||
|
Mnm |
|
|||||||||||||||||||
та.Т.о.оператор Казимира |
ˆ2 |
(3.12.3)совпадает с оператором квадрата массы. |
|
||||||||||||||||||
P |
|
||||||||||||||||||||
Мы будем характеризовать неприводимые представления алгебры Ли группы Пу- |
|
||||||||||||||||||||
анкаре так,что все состояния(вектора)в этом представлении будут являться |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ2 |
c некоторым фиксированным собств. зна - |
|
||||||||
собственными векторами оператора P |
|
||||||||||||||||||||
чением m2 ≥ 0. Вектора( поля) |Ψ с разными значениями m2 будут принадлежать |
|
||||||||||||||||||||
разным неприводимым представлениям(ядро оператора |
ˆ |
2 |
|
2 |
|
||||||||||||||||
(P |
|
− m I) – очевидно |
|
||||||||||||||||||
неприводимо).С физической точки зре |
ния естественно ограничиться рассмотре- |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
|
|
|
|
нием только представлений с положительной энергией Ψ|P0|Ψ > 0 для любого |
|
||||||||||||||||||||
ненулевого состояния |Ψ . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Второй оператор Казимира W 2 описывает спин состояний,соответствующих |
|
||||||||||||||||||||
векторам неприводимого представления алгебры Ли группы Пуанкаре.Для то- |
|
||||||||||||||||||||
го,чтобы прояснить это утверждение мы рассмотрим важное понятие подгруппы |
|
||||||||||||||||||||
стабильности группы Пуанкаре (или малой группы Вигнера). |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Действие элемента g ≡ g(ak, ωmn) из собственной группы Пуанкаре на вектор |
|
||||||||||||||||||||
|Ψ можно определить с помощью экспоненциального отображения |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
U(g) |Ψ = exp |
2−i(akPˆk + |
1 |
|
ωmnMˆmn)3 |
|Ψ , |
(3.12.10) |
unop |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
178
где параметры ak определяют сдвиг координат xk |
→ xk + ak, а параметры ωmn |
|||||||||
– лоренцевские вращения координат xk → Λknxn = (exp ω)kn xn и соответственно |
||||||||||
операторов импульса(см. (3.12.8)) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
ˆ |
ˆ |
−1 |
|
ˆ |
−1 |
) |
n |
ˆ |
n |
(3.12.11) LaOm |
Pk → U(g) Pk U(g) |
|
= Pn(Λ |
|
k |
= Pn (exp(−ω)) k . |
В пространстве неприводимого представления группы Пуанкаре с заданной массой m рассмотрим подпространство состояний |q Vq с определенным4- х импульсом qk
|
|
|
|
ˆ |
|
|
|
(3.12.12) |
genP8 |
|
|
|
|
Pk |q = qk |q , |
|||||
таким,что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qkqk = m2 |
q0 > 0 . |
(3.12.13) |
genP8a |
||
Определим подгруппу Hq в группе Пуанкаре P как набор элементов g P таких, |
|
||||||||
что действие g на4-векторcкоординатами |
qk оставляет этот вектор неизменным |
|
|||||||
(стабильным).Другими словами подгруппа |
|
Hq это набор таких преобразований |
|
||||||
g P, что соответствующие операторы U(g) оставляют подпространство Vq инва- |
|
||||||||
риантным.Подгруппу Hq мы будем называть подгруппой стабильности для Vq. |
|
||||||||
В соответствии с(3.12.11)и (3.12.12)мы получаем, что |
|
|
|||||||
ˆ |
−1 |
) |
n |
ˆ |
|
−1 |
U(g) |q = qk U(g) |
|q , |
|
Pn(Λ |
|
k |
U(g) |q = U(g)PkU(g) |
|
|
||||
т.е. |q′ = U(g) |q , где |
qk′ = qn Λnk = qn (exp(ω))nk . |
(3.12.14) |
genP9a |
||||||
|
|
|
|
Требование стабильности qk′ = qk приводит к условию qn ωnk = 0, общее решение которого может быть записано в виде
ωmn = Emnkr qk nr
где nr – координаты произвольного вектора. Т . о . элементы подгруппы стабильности Hq могут быть записаны в виде
|
U(gq) = exp 2−i(akPˆk + 2Emnkr qk nrMˆ mn)3 |
( gq Hq) . |
(3.12.15) |
genP9 |
|||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
Т.к.операторы |
ˆ |
и Wr коммутируют друг с другом, |
то действие элементов U(gq) |
|
|||||||
Pk |
|
||||||||||
на вектора |q простраства Vq эквивалентны действию |
|
|
|||||||||
exp |
2−i(akPˆk + |
1 |
Emnkr qk nrMˆ mn)3 |
|q = exp(−i α) exp(−inrWr) |q , |
(3.12.16) |
genP99 |
|||||
|
|
||||||||||
|
2 |
179
где α = ak qk. Т . е . операторы(3.12.15),при ограничении их действия на Vq, выра - жаются через вектора Паули-Любанского
exp(−i α) exp(−inrWr) . (3.12.17) genP10
Вспоминая коммутационные соотношения(3 .12.7),мы заключаем,что координаты вектора Паули-Любанского образуют алгебру Ли при ограничении на простран-
ство Vq, причем эта алгебра Ли( и соответствующая группа Ли Gm) зависит от того рассматриваем мы массивный случай qkqk = m2 > 0 или безмассовый случай qkqk = m2 = 0 (ниже мы рассматриваем эти случаи более детально).Фазовый множитель exp(−i α) соответствует группе U(1), т . еH. q = Gm U(1).
Все вектора из Vq описывают состояния частиц с одним и тем 4же-импульсом q и одинаковым полным спином. Следователь но,с физической точки зрения,два любых линейно независимых состояния |1 , |2 Vq должны соответствовать раз-
личной поляризации спина(различной про екции спина)и должны переводиться друг в друга с помощью преобразований из Hq (представление Hq на Vq неприводимо).Более того для конечного квантового с пина,спектр его поля ризаций(проекций)конечен.Т.о.,для физически мотив ированных неприводимых представлений группы Пуанкаре действие подгруппы Hq на Vq неприводимо,а все подпространства Vq – конечномерны.
Все множество элементов группы Пуанкаре P (многообразие группы P) рас - слаивается на множество правых(левых)смежных классов по отношению к подгруппе Hq. Пространство всех таких смежных классов называется однородным пространством и обозначается P/Hq.Ясно,что точки P/Hq могут быть запараметризованы преобразованиями Лоренца Λ[p], переводящими4импульс q в 4- импульс p, лежащий на той же массовой поверхности(3.12.12).Согласно(3.12.14)мы имеем
pk = qn (Λ[p])nk .
Соответствующий унитарный оператор U(Λ[p], 0) (3.12.10)переводит пространство Vq в пространство Vp. В массивном случае выберем тестовый импульс q в виде qn = (m, 0, 0, 0), тогда удобный кандидат на роль Λ[p] имеет вид
|
p0 |
/m |
|
pj /m |
||
|
|
|||||
Λ[p] = |
|
|
|
δ |
+ |
0 |
|
p /m |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
ij |
|
pipj |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m(m+p ) |
|
|
|
|
|
|
,
180