Уравнение Вейля
Квантовая теория поля |
---|
История |
В физике , особенно в квантовой теории поля , уравнение Вейля представляет собой релятивистское волновое уравнение , описывающее безмассовые частицы со спином 1/2, называемые фермионами Вейля . Уравнение названо в честь Германа Вейля . Фермионы Вейля — один из трех возможных типов элементарных фермионов, два других — Дирака и фермионы Майорана .
Ни одна из элементарных частиц Стандартной модели не является фермионом Вейля. До подтверждения осцилляций нейтрино считалось возможным, что нейтрино может быть фермионом Вейля (теперь ожидается, что это фермион Дирака или Майорана). В физике конденсированного состояния некоторые материалы могут отображать квазичастицы , которые ведут себя как фермионы Вейля, что приводит к понятию полуметаллов Вейля .
Математически любой фермион Дирака можно разложить на два фермиона Вейля противоположной киральности, связанные массовым членом. [1]
История [ править ]
Уравнение Дирака было опубликовано в 1928 году Полем Дираком и впервые использовалось для моделирования частиц со спином 1/2 в рамках релятивистской квантовой механики . [2] Герман Вейль опубликовал свое уравнение в 1929 году как упрощенную версию уравнения Дирака. [2] [3] Вольфганг Паули в 1933 году выступил против уравнения Вейля, поскольку оно нарушало четность . [4] Однако за три года до этого Паули предсказал существование нового элементарного фермиона , нейтрино , чтобы объяснить бета-распад , который в конечном итоге был описан с помощью уравнения Вейля.
В 1937 году Коньерс Херринг предположил, что фермионы Вейля могут существовать в виде квазичастиц в конденсированном состоянии. [5]
Нейтрино были экспериментально обнаружены в 1956 году как частицы с чрезвычайно малой массой (и исторически иногда даже считались безмассовыми). [4] В том же году эксперимент Ву показал, что паритет может быть нарушен из-за слабого взаимодействия , что противоречило критике Паули. [6] нейтрино За этим последовало измерение спиральности в 1958 году. [4] Поскольку эксперименты не показали никаких признаков массы нейтрино, интерес к уравнению Вейля возобновился. Таким образом, Стандартная модель была построена в предположении, что нейтрино являются фермионами Вейля. [4]
Хотя итальянский физик Бруно Понтекорво в 1957 году предположил возможность существования нейтринных масс и нейтринных осцилляций , [4] только в 1998 году Супер-Камиоканде наконец подтвердил существование нейтринных осцилляций и их ненулевую массу. [4] Это открытие подтвердило, что уравнение Вейля не может полностью описать распространение нейтрино, поскольку уравнения могут описывать только безмассовые частицы. [2]
В 2015 году первый полуметалл Вейля был экспериментально продемонстрирован в кристаллическом арсениде тантала (TaAs) в сотрудничестве команд М. З. Хасана ( Принстонский университет ) и Х. Дина ( Китайская академия наук ). [5] Независимо, в том же году команда М. Солячича ( Массачусетский технологический институт ) также наблюдала вейлевские возбуждения в фотонных кристаллах . [5]
Уравнение [ править ]
Уравнение Вейля имеет две формы. Правую форму можно записать так: [7] [8] [9]
Разложив это уравнение и подставив для скорости света это становится
где
- вектор 2 × 2. , компоненты которого представляют собой единичную матрицу для и матрицы Паули для и – волновая функция Вейля – один из спиноров . Левая форма уравнения Вейля обычно записывается как:
где
Решения правых и левых уравнений Вейля различны: они имеют правую и левую спиральность и, следовательно, киральность соответственно. Удобно указать это явно следующим образом: и
Решения для плоских волн [ править ]
Плосковолновые . решения уравнения Вейля называются левым и правым спинорами Вейля, каждый из которых состоит из двух компонент Оба имеют форму
- ,
где
представляет собой зависящий от импульса двухкомпонентный спинор, который удовлетворяет условию
или
- .
Путем прямых манипуляций получается, что
- ,
частице и приходит к выводу, что уравнения соответствуют безмассовой . В результате величина импульса относится непосредственно к волновому вектору по соотношениям де Бройля как:
Уравнение можно записать в терминах левых и правых спиноров как:
Спиральность [ править ]
Левая и правая компоненты соответствуют спиральности частиц, проекция оператора углового момента на линейный импульс :
Здесь
Лоренц-инвариантность [ править ]
Оба уравнения лоренц-инвариантны относительно преобразования Лоренца. где Точнее, уравнения преобразуются как
где является эрмитовым транспонированием при условии, что правое поле преобразуется как
Матрица связано с преобразованием Лоренца посредством двойного покрытия группы Лоренца специальной линейной группой данный
Таким образом, если непреобразованный дифференциал обращается в нуль в одной системе Лоренца, то он исчезает и в другой. Сходным образом
при условии, что левое поле преобразуется как
Доказательство: ни одно из этих свойств преобразования никоим образом не является «очевидным» и поэтому заслуживает тщательного вывода. Начните с формы
для какого-то неизвестного предстоит определить. Преобразование Лоренца в координатах имеет вид
или, что то же самое,
Это приводит к
Чтобы воспользоваться картой Вейля
несколько индексов необходимо поднять и понизить. Это легче сказать, чем сделать, поскольку это вызывает тождество
где плоского пространства — метрика Минковского . Приведенное выше тождество часто используется для определения элементов Делается транспонирование:
писать
Таким образом, человек восстанавливает первоначальную форму, если то есть, Проделав те же манипуляции с левым уравнением, приходим к выводу, что
с [а]
с Майораной Отношения
Уравнение Вейля традиционно интерпретируется как описание безмассовой частицы. Однако с небольшой переделкой можно получить двухкомпонентную версию уравнения Майораны . [10] Это происходит потому, что специальная линейная группа изоморфна симплектической группе Симплектическая группа определяется как набор всех комплексных матриц размера 2 × 2, удовлетворяющих условиям
где
Определяющее соотношение можно переписать как где является комплексно-сопряженным . Правое поле, как отмечалось ранее, преобразуется как
и поэтому комплексно-сопряженное поле преобразуется как
Применяя определяющее соотношение, можно сделать вывод, что
что является точно тем же свойством ковариации Лоренца, отмеченным ранее. Таким образом, линейная комбинация с использованием произвольного комплексного фазового коэффициента
преобразуется ковариантным образом; установка этого значения в ноль дает сложное двухкомпонентное уравнение Майораны . Уравнение Майораны традиционно записывается как четырехкомпонентное вещественное уравнение, а не как двухкомпонентное комплексное уравнение; вышеизложенное можно привести к четырехкомпонентной форме (подробности см. в этой статье). Аналогично, левокиральное уравнение Майораны (включая произвольный фазовый множитель ) является
Как отмечалось ранее, левая и правая киральные версии связаны преобразованием четности. Косой комплексный конъюгат можно признать зарядово-сопряженной формой Таким образом, уравнение Майораны можно прочитать как уравнение, связывающее спинор с его зарядово-сопряженной формой. Две различные фазы массового члена связаны с двумя различными собственными значениями оператора зарядового сопряжения; см . в зарядовом сопряжении Подробности и уравнении Майораны.
Определим пару операторов, операторов Майораны,
где является кратким напоминанием о необходимости использования комплексного сопряжения. При преобразованиях Лоренца они преобразуются как
тогда как спиноры Вейля преобразуются как
так же, как указано выше. Таким образом, их согласованные комбинации являются лоренц-ковариантными, и можно принять
как пара комплексных 2-спинорных уравнений Майораны.
Продукты и оба лоренц-ковариантны. Продукт явно
Для проверки этого необходимо иметь в виду, что и это RHS сводится к оператору Клейна – Гордона при условии, что , то есть Таким образом, эти два оператора Майораны являются «квадратными корнями» оператора Клейна – Гордона.
плотности Лагранжевы
Уравнения получены из лагранжевых плотностей
Рассматривая спинор и его конъюгат (обозначаемый ) в качестве независимых переменных получается соответствующее уравнение Вейля.
Спиноры Вейля [ править ]
Термин спинор Вейля также часто используется в более общем контексте как элемент модуля Клиффорда . Это тесно связано с решениями, приведенными выше, и дает естественную геометрическую интерпретацию спиноров как геометрических объектов, живущих на многообразии . Эта общая установка имеет множество сильных сторон: она проясняет их интерпретацию как фермионов в физике и показывает, как точно определить спин в общей теории относительности или, более того, для любого риманова многообразия или псевдориманова многообразия . Неформально это обрисовывается следующим образом.
Уравнение Вейля инвариантно относительно действия группы Лоренца. Это означает, что при применении ускорений и вращений форма самого уравнения не меняется. Однако форма спинора сам меняется. Если полностью игнорировать пространство-время , алгебра спиноров описывается (комплексифицированной) алгеброй Клиффорда . Спиноры трансформируются под действием спиновой группы . Это полностью аналогично тому, как можно говорить о векторе и как он преобразуется под действием группы вращения , за исключением того, что теперь это было адаптировано к случаю спиноров.
Учитывая произвольное псевдориманово многообразие размера , можно рассмотреть его касательное расслоение . В любой заданный момент касательное пространство это размерное векторное пространство . По этому векторному пространству можно построить алгебру Клиффорда на этом. Если являются базисом векторного пространства на , можно построить пару спиноров Вейля как [11]
и
При правильном рассмотрении в свете алгебры Клиффорда они, естественно, являются антикоммутирующими , то есть имеем следующее: Это можно с радостью интерпретировать как математическую реализацию принципа исключения Паули , что позволяет интерпретировать эти абстрактно определенные формальные структуры как фермионы. Для В многомерном пространстве-времени Минковского возможны только два таких спинора, условно обозначенных как «левый» и «правый», как описано выше. Более формальное, общее представление о спинорах Вейля можно найти в статье о спиновой группе .
Абстрактную общерелятивистскую форму уравнения Вейля можно понять следующим образом: дано псевдориманово многообразие над ним строится расслоение со спиновой группой в качестве слоя. Спиновая группа является двойным накрытием специальной ортогональной группы , и поэтому можно послойно отождествить спиновую группу с расслоением реперов над Когда это будет сделано, полученная структура будет называться спиновой структурой .
Выбор одной точки на волокне соответствует выбору локальной системы координат для пространства-времени; две разные точки на волокне связаны (лоренцевым) толчком/вращением, то есть локальным изменением координат. Естественными обитателями спиновой структуры являются спиноры Вейля, поскольку спиновая структура полностью описывает, как спиноры ведут себя при (Лоренцовых) повышениях/вращениях.
Для спинового многообразия аналогом метрической связности является спиновая связность ; по сути, это «то же самое», что и обычное соединение, только с последовательно прикрепленными к нему индексами вращения. Ковариантная производная может быть определена через связь совершенно обычным способом. Он естественным образом действует на расслоении Клиффорда ; расслоение Клиффорда — это пространство, в котором живут спиноры. Общее исследование таких структур и их взаимосвязей называется спиновой геометрией .
Математическое определение [ править ]
Для даже , четная подалгебра комплексной алгебры Клиффорда изоморфен , где . Левый (соответственно правый) комплексный спинор Вейля в Двухмерное пространство – это элемент (соответственно, ).
Особые случаи [ править ]
Из спиноров Вейля можно построить три важных частных случая. Одним из них является спинор Дирака , который можно рассматривать как пару спиноров Вейля, один левый и один правый. Они связаны друг с другом таким образом, что представляют собой электрически заряженное фермионное поле. Электрический заряд возникает вследствие трансформации поля Дирака под действием комплексифицированной спиновой группы Эта группа имеет структуру
где представляет собой круг, и его можно отождествить с электромагнетизма . Продукт это просто причудливое обозначение, обозначающее продукт с противоположными точками идентифицированные (двойное покрытие).
Спинор Майорана снова представляет собой пару спиноров Вейля, но на этот раз устроенных так, что левый спинор является зарядовым сопряжением правого спинора. В результате получается поле с двумя степенями свободы меньше, чем у спинора Дирака. Он не способен взаимодействовать с электромагнитным полем, так как под действием группа. То есть он преобразуется как спинор, но трансверсально, так что он инвариантен относительно действие спиновой группы.
Третий особый случай — спинор ELKO , построенный во многом аналогично спинору Майораны, за исключением дополнительного знака минус между парой сопряженных зарядов. Это снова делает его электрически нейтральным, но привносит ряд других весьма удивительных свойств.
Примечания [ править ]
- ^ Представленные здесь результаты идентичны результатам Асте (2010). [10] уравнения 52 и 57, хотя вывод, проведенный здесь, совершенно другой. Используемое здесь двойное накрытие также идентично уравнению Асте 48 и текущей версии (декабрь 2020 г.) статьи Википедии о группе Лоренца .
Ссылки [ править ]
- ^ Шифман, Михаил (1999). Лекции ИТЭФ по физике элементарных частиц и теории поля . Том. 1. п. 292. ИСБН 9789810239480 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Пал, Палаш Б. (2011). «Фермионы Дирака, Майорана и Вейля» . Американский журнал физики . 79 (5): 485–498. arXiv : 1006.1718 . Бибкод : 2011AmJPh..79..485P . дои : 10.1119/1.3549729 . ISSN 0002-9505 . S2CID 118685467 .
- ^ Вейль, Герман (15 апреля 1929). «Гравитация и электрон» . Труды Национальной академии наук . 15 (4): 323–334. Бибкод : 1929PNAS...15..323W . дои : 10.1073/pnas.15.4.323 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 522457 . ПМИД 16587474 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж Биленький, С.М. (2005). «История нейтринных осцилляций» . Физика Скрипта . Т121 : 17–22. arXiv : hep-ph/0410090 . Бибкод : 2005PhST..121...17B . дои : 10.1088/0031-8949/2005/T121/001 . ISSN 0031-8949 . S2CID 119341278 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Вишванат, Ашвин (8 сентября 2015 г.). «Где вещи Вейля» . АПС Физика . Том. 8.
- ^ Ву, CS; Эмблер, Э.; Хейворд, RW; Хоппс, Д.Д.; Хадсон, Р.П. (1957). «Экспериментальная проверка сохранения четности при бета-распаде» . Физический обзор . 105 (4): 1413–1415. Бибкод : 1957PhRv..105.1413W . дои : 10.1103/PhysRev.105.1413 .
- ^ Пирсон, Э. Аберс, изд. (2004). Квантовая механика . Prentice Hall Inc. Аддисон Уэсли, ISBN 978-0-13-146100-0 .
- ^ Воан, Г., изд. (2010). Кембриджский справочник физических формул . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57507-2 .
- ^ Пескин, Мэн; Шредер, Д.В. (1995). Введение в квантовую теорию поля . Аддисон-Уэсли. ISBN 0-201-50397-2 – через Google Книги.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Асте, Андреас (2010). «Прямая дорога к полям Майораны». Симметрия . Том. 2010, нет. 2. стр. 1776–1809. дои : 10.3390/sym2041776 . ISSN 2073-8994 .
- ^ Йост, Юрген (2002). Риманова геометрия и геометрический анализ (3-е изд.). Университетский текст Спрингера.
Дальнейшее чтение [ править ]
- МакМахон, Д. (2008). Квантовая теория поля демистифицирована . США: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-154382-8 .
- Мартин, БР; Шоу, Г. (2008). Физика элементарных частиц . Манчестерская физика (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-03294-7 .
- Мартин, Брайан Р.; Шоу, Грэм (2013). Физика элементарных частиц (3-е изд.). ISBN 9781118681664 – через Google Книги.
- ЛаБелль, П. (2010). Раскрытие тайны суперсимметрии . США: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-163641-4 – через Google Книги.
- Пенроуз, Роджер (2007). Дорога к реальности . Винтажные книги. ISBN 978-0-679-77631-4 .
- Джонстон, Хэмиш (23 июля 2015 г.). «Наконец-то обнаружены фермионы Вейля» . Мир физики . Проверено 22 ноября 2018 г.
- Сьюдад, Давид (20 августа 2015 г.). «Безмассовый, но реальный» . Природные материалы . 14 (9): 863. дои : 10.1038/nmat4411 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 26288972 .
- Вишванат, Ашвин (8 сентября 2015 г.). «Где вещи Вейля» . АПС Физика . Том. 8 . Проверено 22 ноября 2018 г.
- Цзя, Шуан; Сюй, Су-Ян; Хасан, М. Захид (25 октября 2016 г.). «Полуметаллы Вейля, дуги Ферми и киральная аномалия» . Природные материалы . 15 (11): 1140–1144. arXiv : 1612.00416 . Бибкод : 2016NatMa..15.1140J . дои : 10.1038/nmat4787 . ПМИД 27777402 . S2CID 1115349 .