Гамма-матрицы более высокой размерности
В математической физике многомерные гамма-матрицы до произвольного измерения четырехмерные гамма-матрицы Дирака обобщают , которые являются основой релятивистской квантовой механики. Они используются в релятивистски-инвариантных волновых уравнениях для фермионов (таких как спиноры) в произвольных измерениях пространства-времени, особенно в теории струн и супергравитации. Матрицы Вейля – Брауэра обеспечивают явную конструкцию гамма-матриц более высокой размерности для спиноров Вейля . Гамма-матрицы также появляются в общих условиях римановой геометрии , особенно когда спиновую структуру можно определить .
Введение
[ редактировать ]Рассмотрим пространство-время размерности d с плоской метрикой Минковского ,
с положительные записи, отрицательные записи, и а , б знак равно 0, 1, ..., d - 1 . Установите N = 2 ⌊ 1 / 2 d ⌋ . Стандартные матрицы Дирака соответствуют взятию d = N = 4 и p , q = 1, 3 или 3, 1 .
В высших (и низших) измерениях можно определить группу , гамма-группу , ведущую себя так же, как матрицы Дирака. [1] Точнее, если выбрать базис для (комплексифицированной) алгебры Клиффорда , то гамма-группа, порожденная изоморфна , подгруппе мультипликативной порожденной базисными элементами (игнорируя аддитивный аспект алгебры Клиффорда).
По соглашению гамма-группа реализуется как набор матриц, гамма-матриц, хотя определение группы этого не требует. В частности, многие важные свойства, включая симметрии C , P и T, не требуют конкретного матричного представления, и можно получить более четкое определение киральности . таким образом [1] Возможны несколько матричных представлений, некоторые из которых приведены ниже, а другие — в статье о матрицах Вейля – Брауэра . В матричном представлении спиноры имеют вид -мерный, с гамма-матрицами, действующими на спиноры. Подробная конструкция спиноров приведена в статье об алгебре Клиффорда . Йост предоставляет стандартный справочник по спинорам в общих рамках риммановой геометрии. [2]
Группа Гамма
[ редактировать ]Большинство свойств гамма-матриц можно описать группой , гамма -группой . Эту группу можно определить без ссылки на действительные числа, комплексные числа или даже без прямого обращения к алгебре Клиффорда . [1] Затем матричные представления этой группы дают конкретную реализацию, которую можно использовать для определения действия гамма -матриц на спиноры . Для размеров, матричные продукты ведут себя так же, как обычные матрицы Дирака . Группа Паули представляет собой гамма-группу для хотя группа Паули имеет больше связей ( менее свободна ); пример см. в примечании о киральном элементе ниже. Кватернионы обеспечивают представление
Презентация » группы «Гамма заключается в следующем.
- обозначается Нейтральный элемент как .
- Элемент с является заменой комплексного числа ; он коммутирует со всеми другими элементами ,
- Есть коллекция генераторов. индексируется с
- Остальные генераторы подчиняться
- Антикоммутатор определяется как для
Эти генераторы полностью определяют гамма-группу. Можно показать, что для всех что и так Каждый элемент можно однозначно записать как произведение конечного числа образующих, расположенных в каноническом порядке, как
с индексами в порядке возрастания
и Гамма-группа конечна и имеет не более элементы в нем.
Гамма-группа является 2-группой , но не регулярной p-группой . Коммутантная подгруппа (производная подгруппа) — это следовательно, это не мощная p-группа . Вообще 2-группы имеют большое количество инволюций ; гамма-группа делает то же самое. Ниже выделены три конкретных, так как они имеют определенную интерпретацию в контексте алгебр Клиффорда , в контексте представлений гамма-группы (где транспонирование и эрмитово сопряжение буквально соответствуют этим действиям над матрицами) и в физике . где «основная инволюция» соответствует комбинированной P-симметрии и T-симметрии .
Транспонирование
[ редактировать ]Данные элементы порождающего набора гамма-группы, транспонирование или обращение определяется выражением
Если есть элементы все четко, тогда
Эрмитово сопряжение
[ редактировать ]Другой автоморфизм гамма-группы задается сопряжением, определяемым на образующих как
дополнено и Для общих элементов в группе применяется транспонирование: Из свойств транспонирования следует, что для всех элементов это либо или что то есть все элементы либо эрмитовы, либо унитарные.
Если интерпретировать измерения как «времяподобные», а измерения как «космические», то это соответствует P-симметрии в физике. То, что это «правильная» идентификация, следует из обычных матриц Дирака, где связано со временемподобным направлением, а пространственные направления с «традиционной» (+---) метрикой. Другие метрики и варианты представления предполагают другие интерпретации.
Основная инволюция
[ редактировать ]Основная инволюция — это карта, которая «переворачивает» генераторы: но уходит один: Эта карта соответствует комбинированной P-симметрии и T-симметрии в физике; все направления поменялись местами.
Хиральный элемент
[ редактировать ]Дайте определение киральному элементу как
где . Киральный элемент коммутирует с генераторами как
Это соответствует
Для матриц Дирака киральный элемент соответствует отсюда и его название, поскольку он играет важную роль в различении киральности спиноров.
Для группы Паули киральным элементом является тогда как для гамма-группы , невозможно вывести такую зависимость для кроме того, что это соответствует Это пример того, как представление может иметь больше идентификаторов, чем представляемая группа. Для кватернионов , которые обеспечивают представление киральный элемент
Сопряжение зарядов
[ редактировать ]Ни один из перечисленных выше автоморфизмов (транспонирование, сопряжение, основная инволюция) не является внутренними автоморфизмами ; то есть их нельзя представить в виде для некоторого существующего элемента в гамма-группе, как представлено выше. Зарядовое сопряжение требует расширения гамма-группы двумя новыми элементами; по соглашению, это
и
Вышеупомянутых отношений недостаточно для определения группы; и другие продукты не определены.
Матричное представление
[ редактировать ]Гамма-группа имеет матричное представление, заданное комплексом матрицы с и и функция пола , наибольшее целое число, меньшее Групповое представление матриц можно компактно записать в терминах антикоммутаторного соотношения из алгебры Клиффорда Cℓ p , q ( R )
где матрица I N представляет собой единичную матрицу в N измерениях. Транспонирование и эрмитово сопряжение соответствуют своему обычному значению на матрицах.
Сопряжение зарядов
[ редактировать ]В оставшейся части статьи предполагается, что и так . То есть алгебра Клиффорда Cℓ 1 , d −1 ( R ) . предполагается [а] В этом случае гамма-матрицы обладают следующим свойством при эрмитовом сопряжении :
Транспонирование будет обозначаться с небольшим изменением обозначений путем отображения где элемент слева — это элемент абстрактной группы, а элемент справа — это литеральная матрица transpose .
Как и ранее, генераторы Γ a , −Γ a Т , С а Т все порождают одну и ту же группу (все сгенерированные группы изоморфны ; операции по-прежнему являются инволюциями ). Однако, поскольку Γ a теперь являются матрицами, становится правдоподобным задаться вопросом, существует ли матрица, которая может действовать как преобразование подобия , воплощающее автоморфизмы. В общем, такую матрицу можно найти. По соглашению, есть два представляющих интерес; в физической литературе их называют матрицами зарядового сопряжения . Явно это
Их можно построить как действительные матрицы различных размерностей, как показано в следующей таблице. В четном измерении оба существуют, в нечетном измерении только один.
д | ||
---|---|---|
Обратите внимание, что это базовый выбор.
Свойства симметрии
[ редактировать ]Обозначим произведение гамма-матриц через
и обратите внимание, что свойство антикоммутации позволяет нам упростить любую такую последовательность до такой, в которой индексы различны и возрастают. Поскольку отчетливые против поездок на работу это мотивирует введение антисимметричного «среднего». Введем антисимметричные произведения различных n -кортежей из 0, ..., d − 1:
где π пробегает все перестановки из n символов, а ϵ — чередующийся символ . Есть 2 д таких продуктов, но только N 2 независимы и охватывают пространство размера N × N. матриц
Обычно Γ ab обеспечивает (би)спинорное представление 1/2 , ( d генераторы d − 1 многомерной группы Лоренца ) SO + (1, d − 1) , обобщающее 6 матриц σ примечание спинового представления группы Лоренца в четырех измерениях.
Для четного d можно дополнительно определить эрмитову киральную матрицу
такой, что {Γ chir , Γ a } = 0 и Γ chir 2 = 1 . (В нечетных измерениях такая матрица будет коммутировать со всеми Γ a s и, таким образом, будет пропорциональна единице, поэтому она не рассматривается.)
Матрица Г называется симметричной, если
в противном случае, для знака -, он называется антисимметричным.
В предыдущем выражении C может быть либо или . В нечетном измерении нет никакой двусмысленности, но в четном лучше выбрать любой из них. или допускает спиноры Майораны. При d = 6 такого критерия нет, поэтому мы рассматриваем оба.
д | С | Симметричный | антисимметричный |
---|---|---|---|
Личности
[ редактировать ]Доказательство тождеств следов для гамма-матриц справедливо для всех четных размерностей. Поэтому нужно только вспомнить случай 4D , а затем изменить общий коэффициент 4 на . Для других тождеств (содержащих сокращение) явные функции появится.
Даже когда количество физических измерений равно четырем, эти более общие тождества повсеместно используются в циклических вычислениях из-за размерной регуляризации .
Пример явной конструкции в киральном базисе
[ редактировать ]Матрицы Г можно построить рекурсивно сначала во всех четных размерностях, d = 2k , а затем в нечетных, 2k + 1.
д = 2
[ редактировать ]Используя матрицы Паули , возьмем
и можно легко проверить, что матрицы зарядового сопряжения имеют вид
Наконец, можно определить эрмитовский киральный γ chir как
Общий четный d = 2 k
[ редактировать ]Теперь можно построить матрицы Γ a , ( a = 0, ... , d + 1) и зарядовые сопряжения C (±) в измерениях d + 2, начиная с γ a' , ( a' = 0, ... , d − 1 ) и c (±) матрицы в d измерениях.
Явно,
Затем можно построить матрицы зарядового сопряжения:
со следующими свойствами,
Исходя из значений знаков для d = 2, s (2,+) = +1 и s (2,−) = −1, можно зафиксировать все последующие знаки s ( d ,±), имеющие периодичность 8; явно, можно найти
+1 | +1 | −1 | −1 | |
+1 | −1 | −1 | +1 |
Опять же, можно определить эрмитову киральную матрицу в измерениях d +2 как
которая по построению диагональна и при зарядовом сопряжении преобразуется как
Таким образом, очевидно, что {Γ chir , Γ a } = 0.
Общий нечет d = 2 k + 1
[ редактировать ]Рассмотрим предыдущую конструкцию для d − 1 (которая четна) и просто возьмем все матрицы Γ a ( a = 0, ..., d − 2) , к которым добавим ее i Γ chir ≡ Γ d −1 . ( Я необходим для получения антиэрмитовой матрицы и ее расширения в пространственноподобную метрику).
Наконец, вычислите матрицу сопряжения зарядов: выберите между и , таким образом, что Γ d −1 преобразуется, как и все остальные Γ -матрицы. Явно требуйте
При изменении размера d закономерности обычно повторяются с периодом 8 (см. часы алгебры Клиффорда ).
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Возможно и даже вероятно, что многие или большинство формул и таблиц в этом и последующих разделах верны и в общем случае; однако это не было проверено. Этот и последующие разделы изначально были написаны в предположении о метрике (1,d−1).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Петижан, Мишель (2020). «Возврат к киральности спиноров Дирака» . Симметрия . 12 (4): 616. дои : 10.3390/sym12040616 .
- ^ Юрген Йост, (2002) «Риманова геометрия и геометрический анализ (3-е издание)», Springer. См. главу 1, раздел 1.8.
Общее чтение
[ редактировать ]- Брауэр, Ричард ; Вейль, Герман (1935). «Спиноры в n измерениях». Являюсь. Дж. Математика . 57 : 425–449. дои : 10.2307/2371218 . ЖФМ 61.1025.06 . JSTOR 2371218 . Збл 0011.24401 .
- Паис, Авраам (1962). «О спинорах в n измерениях» . Журнал математической физики . 3 (6): 1135. Бибкод : 1962JMP.....3.1135P . дои : 10.1063/1.1703856 .
- Глиоцци, Ф.; Шерк, Джоэл; Олив, Д. (1977). «Суперсимметрия, теории супергравитации и модель двойного спинора» (PDF) . Ядерная физика Б . 122 (2): 253. Бибкод : 1977НуФБ.122..253Г . дои : 10.1016/0550-3213(77)90206-1 .
- Кеннеди, AD (1981). «Алгебры Клиффорда в 2ω измерениях». Журнал математической физики . 22 (7): 1330. Бибкод : 1981JMP....22.1330K . дои : 10.1063/1.525069 .
- де Вит, Брайс и Смит, Дж. (1986). Теория поля в физике элементарных частиц (Личная библиотека Северной Голландии), Том 1, Мягкая обложка, Приложение E ( Архивировано из оригинала ), ISBN 978-0444869999
- Мураяма, Х. (2007). «Заметки об алгебре Клиффорда и представлениях спина (N)»
- Пьетро Джузеппе Фре (2012). «Гравитация, геометрический курс: Том 1: Развитие теории и основные физические приложения». Спрингер-Верлаг. ISBN 9400753608 . См. стр. 315 и далее.