Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Group_theory_lecture

.pdf
Скачиваний:
125
Добавлен:
03.06.2015
Размер:
2.02 Mб
Скачать

условия 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(e1 , e2 , . . .). Выбирая затем U= diag(e1/2, e2/2, . . .) мы

 

приводим B к единичному виду с помощью матрицы U = UO.

 

 

 

 

 

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 Bравны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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:

 

= ψγ0 = ψT BT γ0 = −ψT γ00 = 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+1

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

 

 

 

 

D+1 + 1)ψ = 0

D+1 − 1)ψ = 0 .

 

(3.11.12)

weyl

Для майорановских спиноров(3.11.4)из этих условий следует

 

 

 

0 = (γD+1 ± 1)ψ = ((−)ν+1D+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−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

= Λmn. 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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

˜

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Λm(i∂n

− e An(x)) − M) ψ(˜x) = 0 ,

 

 

 

и пусть существует оператор S такой,что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nS−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(

 

ωmnγmnn 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 + xmωmnn + ...)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 = (xmn − xnm) +

1

mγn − 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 =

 

 

A)kl A)ij

 

 

P12 =

 

 

 

 

 

A)1 A)2 ,

ident10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ν

 

2ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

из которого например следуют тождества

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m)1 m)2 P12 = (γm)2 P12 m)2 = (γm)1 P12 m)1

 

=

(3.11.22)

ident11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m)kj m)il =

 

mΓA)kl mΓA)ij =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ν

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.11.23)

 

=

 

 

 

A)kl mΓAγm)ij =

 

 

m

ΓAγm)kl A)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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1Ψ2)(Ψ3Ψ4) =

 

 

Ψ

Ψ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ν

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1γmΨ2)(Ψ3γmΨ4) = (−1)g

 

 

 

 

1γmΓAΨ4)(Ψ3γmΓAΨ2) =

(3.11.25)

fi2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ν

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (−1)g

 

 

1ΓAΨ4)(Ψ3γmΓAγmΨ2) = (−1)g

 

 

 

1γmΓAγmΨ4)(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 =

γmm1 γm2 . . .γmk m+

 

 

 

 

 

m=0

m̸=m)1,...,mk

m=m1

,...,m

)

)

k

= (−1)k (D − k) ΓAk + γm1 m1 γm2 . . .γmk m1 + . . . + 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

γmm1 γm2 . . .γmk m =

m1 γm2 . . .γmk mk =

на лево до γmn и поль -

m1 γm3 . . .γmk ) + . . . +

175

+(1) γmk−1 m1 γm2 . . .γmk−2 γmk ) + γmk m1 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

m)1 m)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))

 

 

 

 

ΨKγ(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

 

ΨKγ(m1,...,mp)ΨK (p = 4k + 1, 4k + 2) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)g+1

 

 

 

ΨK γ(m1,...,mp)ΨK= (

ΨKγ(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

 

Mmn, Pk] = iωk Pn

δωWk =

2

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

 

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

 

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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]