Многомерные гамма-матрицы

Гамма-матрицы для произвольных алгебр Клиффорда

В математической физике многомерные гамма-матрицы обобщают на произвольную размерность четырехмерные гамма-матрицы Дирака , которые являются основой релятивистской квантовой механики. Они используются в релятивистски инвариантных волновых уравнениях для фермионов (таких как спиноры) в произвольных измерениях пространства-времени, в частности, в теории струн и супергравитации. Матрицы Вейля–Брауэра обеспечивают явное построение многомерных гамма-матриц для спиноров Вейля . Гамма-матрицы также появляются в общих настройках в римановой геометрии , особенно когда может быть определена структура спина .

Введение

Рассмотрим пространство-время размерности d с плоской метрикой Минковского ,

η = η а б = диаг ( + 1 , , + 1 , 1 , , 1 )   , {\displaystyle \eta =\|\eta _{ab}\|={\text{diag}}(+1,\dots ,+1,-1,\dots ,-1)~,}

с положительными записями, отрицательными записями и a , b = 0, 1, ..., d − 1. Установите N = 2 п {\displaystyle p} д {\displaystyle д} п + д = г {\displaystyle p+q=d} 1/2d . Стандартныематрицы Диракасоответствуют взятию d = N = 4и p , q = 1, 3или3, 1.

В более высоких (и более низких) измерениях можно определить группу , гамма-группу , ведущую себя таким же образом, как матрицы Дирака. [1] Точнее, если выбрать базис для (комплексифицированной) алгебры Клиффорда , то гамма-группа, порожденная , будет изоморфна мультипликативной подгруппе , порожденной базисными элементами (игнорируя аддитивный аспект алгебры Клиффорда). { е а } {\displaystyle \{e_{a}\}} С л п , д ( С ) С л С ( п , д ) {\ displaystyle \ mathrm {Cl} _ {p, q} (\ mathbb {C}) \ cong \ mathrm {Cl} ^ {\ mathbb {C} } (p, q)} { Г а } {\displaystyle \{\Gamma _{a}\}} е а {\displaystyle e_{a}}

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 таким образом можно получить более четкое определение хиральности . [1] Возможны несколько матричных представлений, некоторые из которых приведены ниже, а другие в статье о матрицах Вейля–Брауэра . В матричном представлении спиноры являются -мерными, причем гамма-матрицы действуют на спиноры. Подробная конструкция спиноров приведена в статье об алгебре Клиффорда . Йост дает стандартную ссылку на спиноры в общей постановке римановой геометрии. [2] Н {\displaystyle N}

Группа гамма

Большинство свойств гамма-матриц можно охватить группой , гамма -группой . Эту группу можно определить без ссылки на действительные числа, комплексные числа или даже прямого обращения к алгебре Клиффорда . [1] Матричные представления этой группы затем обеспечивают конкретную реализацию, которая может быть использована для указания действия гамма -матриц на спиноры . Для размерностей матричные произведения ведут себя так же, как обычные матрицы Дирака . Группа Паули является представлением гамма-группы для хотя группа Паули имеет больше связей ( менее свободна ); см. примечание о хиральном элементе ниже для примера. Кватернионы обеспечивают представление для ( п , д ) = ( 1 , 3 ) {\displaystyle (p,q)=(1,3)} ( п , д ) = ( 3 , 0 ) {\displaystyle (p,q)=(3,0)} ( п , д ) = ( 0 , 3 ) . {\displaystyle (p,q)=(0,3).}

Представление гамма - группы выглядит следующим образом. Г = Г п , д {\displaystyle G=G_{p,q}}

  • Нейтральный элемент обозначается как . я {\displaystyle Я}
  • Элемент с является заменителем комплексного числа ; он коммутирует со всеми другими элементами , я {\displaystyle я} я 4 = я {\displaystyle я^{4}=Я} я {\displaystyle я}
  • Существует коллекция генераторов, проиндексированных с помощью Г а {\displaystyle \Гамма _{a}} а = 0 , , п 1 {\displaystyle a=0,\ldots ,p-1} Г а 2 = я   , {\displaystyle \Гамма _{a}^{2}=I~,}
  • Остальные генераторы подчиняются Г а ,   а = п , , п + д 1 {\displaystyle \Гамма _{a},\ a=p,\ldots ,p+q-1} Г а 2 = я 2   , {\displaystyle \Гамма _{a}^{2}=i^{2}~,}
  • Антикоммутатор определяется как для Г а Г б = я 2 Г б Г а {\displaystyle \Gamma _{a}\Gamma _{b}=i^{2}\Gamma _{b}\Gamma _{a}} а б   . {\displaystyle a\neq b~.}

Эти генераторы полностью определяют гамма-группу. Можно показать, что при всем этом и так Каждый элемент может быть однозначно записан как произведение конечного числа генераторов, размещенных в каноническом порядке как х Г {\displaystyle x\in G} х 4 = я {\displaystyle x^{4}=I} х 1 = х 3   . {\displaystyle x^{-1}=x^{3}~.} х Г {\displaystyle x\in G}

х = я н Г а Г б Г с {\displaystyle x=i^{n}\Gamma _{a}\Gamma _{b}\cdots \Gamma _{c}}

с индексами в порядке возрастания

а < б < < с {\displaystyle а<b<\cdots <c}

и Гамма-группа конечна и содержит в себе не более элементов. 0 н 3. {\displaystyle 0\leq n\leq 3.} 2 п + д + 2 {\displaystyle 2^{p+q+2}}

Гамма-группа является 2-группой , но не регулярной p-группой . Коммутантная подгруппа (производная подгруппа) является , поэтому она не является мощной p-группой . В общем случае 2-группы имеют большое количество инволюций ; гамма-группа делает то же самое. Три конкретных из них выделены ниже, поскольку 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 «главная инволюция» соответствует комбинированной P-симметрии и T-симметрии . [ Г , Г ] = { я , я 2 }   , {\displaystyle [G,G]=\left\{I,i^{2}\right\}~,} α {\displaystyle \альфа}

Транспонирование

Для заданных элементов порождающего набора гамма-группы транспозиция или обращение задается формулой Г я {\displaystyle \Гамма _{i}}

( Г а Г б Г с ) т = Г с Г б Г а {\displaystyle (\Гамма _{a}\Гамма _{b}\cdots \Гамма _{c})^{\textsf {t}}=\Гамма _{c}\cdots \Гамма _{b}\Гамма _{a}}

Если есть элементы, все различны, то к {\displaystyle к} Г я {\displaystyle \Гамма _{i}}

( Г а Г б Г с ) т = ( я 2 ) 1 2 к ( к 1 ) Г а Г б Г с {\displaystyle (\Гамма _{a}\Гамма _{b}\cdots \Гамма _{c})^{\textsf {t}}=\left(i^{2}\right)^{{\frac {1}{2}}k(k-1)}\Гамма _{a}\Гамма _{b}\cdots \Гамма _{c}}

Эрмитово сопряжение

Другой автоморфизм гамма-группы задается сопряжением, определяемым на образующих как

Г а = { Г а для  0 а < п я 2 Г а для  п а < п + д {\displaystyle \Gamma _{a}^{\dagger }={\begin{cases}\Gamma _{a}&{\mbox{for }}0\leq a<p\\i^{2}\Gamma _{a}&{\mbox{for }}p\leq a<p+q\\\end{cases}}}

дополненный и Для общих элементов в группе берется транспонирование: Из свойств транспонирования следует, что для всех элементов , либо , либо , то есть все элементы являются либо эрмитовыми, либо унитарными. я = я 3 {\displaystyle i^{\dagger}=i^{3}} я = я . {\displaystyle Я^{\dagger}=Я.} ( а б ) = б а   . {\displaystyle (ab)^{\dagger }=b^{\dagger }a^{\dagger }~.} х Г {\displaystyle x\in G} х х = х х = я {\displaystyle xx^{\dagger }=x^{\dagger }x=I} x x = x x = i 2   , {\displaystyle xx^{\dagger }=x^{\dagger }x=i^{2}~,}

Если интерпретировать измерения как «подобные времени», а измерения как «подобные пространству», то это соответствует P-симметрии в физике. То, что это «правильная» идентификация, следует из обычных матриц Дирака, где связано с направлением, подобным времени, а пространственные направления — с «обычной» (+−−−) метрикой. Другие метрические и репрезентативные выборы предполагают другие интерпретации. p {\displaystyle p} q {\displaystyle q} γ 0 {\displaystyle \gamma _{0}} γ i {\displaystyle \gamma _{i}}

Основная инволюция

Основная инволюция — это отображение, которое «переворачивает» генераторы: но оставляет в покое: Это отображение соответствует объединенной P-симметрии и T-симметрии в физике; все направления меняются местами. α ( Γ a ) = i 2 Γ a {\displaystyle \alpha (\Gamma _{a})=i^{2}\Gamma _{a}} i {\displaystyle i} α ( i ) = i   . {\displaystyle \alpha (i)=i~.}

Хиральный элемент

Определим хиральный элемент как ω Γ c h i r {\displaystyle \omega \equiv \Gamma _{\mathrm {chir} }}

ω = Γ c h i r = Γ 0 Γ 1 Γ d 1 {\displaystyle \omega =\Gamma _{\mathrm {chir} }=\Gamma _{0}\Gamma _{1}\cdots \Gamma _{d-1}}

где . Хиральный элемент коммутирует с генераторами как d = p + q {\displaystyle d=p+q}

Γ a ω = ( i 2 ) d 1 ω Γ a {\displaystyle \Gamma _{a}\omega =\left(i^{2}\right)^{d-1}\omega \Gamma _{a}}

Это квадрат к

ω 2 = ( i 2 ) q + 1 2 d ( d 1 ) {\displaystyle \omega ^{2}=\left(i^{2}\right)^{q+{\frac {1}{2}}d(d-1)}}

Для матриц Дирака хиральный элемент соответствует своему названию, поскольку он играет важную роль в различении хиральности спиноров. γ 5   , {\displaystyle \gamma _{5}~,}

Для группы Паули хиральный элемент есть тогда как для гамма-группы нельзя вывести никаких подобных отношений, кроме того, что она квадратируется Это пример того, где представление может иметь больше идентичностей, чем представленная группа. Для кватернионов , которые обеспечивают представление хирального элемента есть σ 1 σ 2 σ 3 = i {\displaystyle \sigma _{1}\sigma _{2}\sigma _{3}=i} G 3 , 0 {\displaystyle G_{3,0}} Γ 1 Γ 2 Γ 3 {\displaystyle \Gamma _{1}\Gamma _{2}\Gamma _{3}} i 2   . {\displaystyle i^{2}~.} G 0 , 3 {\displaystyle G_{0,3}} i j k = i 2   . {\displaystyle ijk=i^{2}~.}

Зарядовое сопряжение

Ни один из вышеперечисленных автоморфизмов (транспонирование, сопряжение, главная инволюция) не является внутренним автоморфизмом ; то есть они не могут быть представлены в форме для некоторого существующего элемента в гамма-группе, как представлено выше. Сопряжение заряда требует расширения гамма-группы двумя новыми элементами; по соглашению, это C x C 1 {\displaystyle CxC^{-1}} C {\displaystyle C}

C + Γ a C + 1 = Γ a t {\displaystyle C_{+}\Gamma _{a}C_{+}^{-1}=\Gamma _{a}^{\textsf {t}}}

и

C Γ a C 1 = i 2 Γ a t {\displaystyle C_{-}\Gamma _{a}C_{-}^{-1}=i^{2}\Gamma _{a}^{\textsf {t}}}

Вышеуказанные отношения недостаточны для определения группы; другие продукты не определены. C 2 {\displaystyle C^{2}}

Матричное представление

Гамма-группа имеет матричное представление, заданное комплексными матрицами с и и функцией пола , наибольшим целым числом, меньшим Групповое представление для матриц можно записать компактно в терминах антикоммутаторного соотношения из алгебры Клиффорда Cℓ p , q ( R ) N × N {\displaystyle N\times N} N = 2 1 2 d {\displaystyle N=2^{\left\lfloor {\frac {1}{2}}d\right\rfloor }} d = p + q {\displaystyle d=p+q} x {\displaystyle \lfloor x\rfloor } x . {\displaystyle x.}

{ Γ a   ,   Γ b } = Γ a Γ b + Γ b Γ a = 2 η a b I N   , {\displaystyle \{\Gamma _{a}~,~\Gamma _{b}\}=\Gamma _{a}\Gamma _{b}+\Gamma _{b}\Gamma _{a}=2\eta _{ab}I_{N}~,}

где матрица I Nединичная матрица в измерениях N. Транспонирование и эрмитово сопряжение соответствуют их обычному значению на матрицах.

Зарядовое сопряжение

В оставшейся части этой статьи предполагается, что и поэтому . То есть предполагается алгебра Клиффорда Cℓ 1 , d −1 ( R ) . [a] В этом случае гамма-матрицы обладают следующим свойством относительно эрмитового сопряжения , p = 1 {\displaystyle p=1} q = d 1 {\displaystyle q=d-1}

Γ 0 = + Γ 0   , Γ a = Γ a   ( a = 1 , , d 1 )   . {\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma _{0}^{\dagger }&=+\Gamma _{0}~,&\Gamma _{a}^{\dagger }&=-\Gamma _{a}~(a=1,\dots ,d-1)~.\end{aligned}}}

Транспонирование будет обозначаться небольшим изменением нотации, путем сопоставления, где элемент слева — это абстрактный групповой элемент, а элемент справа — литеральная транспонированная матрица . Γ a t Γ a T {\displaystyle \Gamma _{a}^{\textsf {t}}\mapsto \Gamma _{a}^{\textsf {T}}}

Как и прежде, генераторы Γ a , −Γ a T , Γ a T все генерируют одну и ту же группу (все генерируемые группы изоморфны ; операции по-прежнему являются инволюциями ). Однако, поскольку Γ a теперь являются матрицами, становится правдоподобным спросить, существует ли матрица, которая может действовать как преобразование подобия , воплощающее автоморфизмы. В общем случае такую ​​матрицу можно найти. По соглашению, есть две представляющие интерес матрицы; в физической литературе обе называются матрицами сопряжения зарядов . Явно это

C ( + ) Γ a C ( + ) 1 = + Γ a T C ( ) Γ a C ( ) 1 = Γ a T   . {\displaystyle {\begin{aligned}C_{(+)}\Gamma _{a}C_{(+)}^{-1}&=+\Gamma _{a}^{\textsf {T}}\\C_{(-)}\Gamma _{a}C_{(-)}^{-1}&=-\Gamma _{a}^{\textsf {T}}~.\end{aligned}}}

Их можно построить как действительные матрицы в различных измерениях, как показано в следующей таблице. В четном измерении существуют оба, в нечетном — только один. C ± {\displaystyle C_{\pm }}

г C ( + ) = C ( + ) {\displaystyle C_{(+)}^{*}=C_{(+)}} C ( ) = C ( ) {\displaystyle C_{(-)}^{*}=C_{(-)}}
2 {\displaystyle 2} C ( + ) T = C ( + ) ;       C ( + ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(+)}^{\textsf {T}}=C_{(+)};~~~C_{(+)}^{2}=1} C ( ) T = C ( ) ;       C ( ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(-)}^{\textsf {T}}=-C_{(-)};~~~C_{(-)}^{2}=-1}
3 {\displaystyle 3} C ( ) T = C ( ) ;       C ( ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(-)}^{\textsf {T}}=-C_{(-)};~~~C_{(-)}^{2}=-1}
4 {\displaystyle 4} C ( + ) T = C ( + ) ;       C ( + ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(+)}^{\textsf {T}}=-C_{(+)};~~~C_{(+)}^{2}=-1} C ( ) T = C ( ) ;       C ( ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(-)}^{\textsf {T}}=-C_{(-)};~~~C_{(-)}^{2}=-1}
5 {\displaystyle 5} C ( + ) T = C ( + ) ;       C ( + ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(+)}^{\textsf {T}}=-C_{(+)};~~~C_{(+)}^{2}=-1}
6 {\displaystyle 6} C ( + ) T = C ( + ) ;       C ( + ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(+)}^{\textsf {T}}=-C_{(+)};~~~C_{(+)}^{2}=-1} C ( ) T = C ( ) ;       C ( ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(-)}^{\textsf {T}}=C_{(-)};~~~C_{(-)}^{2}=1}
7 {\displaystyle 7} C ( ) T = C ( ) ;       C ( ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(-)}^{\textsf {T}}=C_{(-)};~~~C_{(-)}^{2}=1}
8 {\displaystyle 8} C ( + ) T = C ( + ) ;       C ( + ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(+)}^{\textsf {T}}=C_{(+)};~~~C_{(+)}^{2}=1} C ( ) T = C ( ) ;       C ( ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(-)}^{\textsf {T}}=C_{(-)};~~~C_{(-)}^{2}=1}
9 {\displaystyle 9} C ( + ) T = C ( + ) ;       C ( + ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(+)}^{\textsf {T}}=C_{(+)};~~~C_{(+)}^{2}=1}
10 {\displaystyle 10} C ( + ) T = C ( + ) ;       C ( + ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(+)}^{\textsf {T}}=C_{(+)};~~~C_{(+)}^{2}=1} C ( ) T = C ( ) ;       C ( ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(-)}^{\textsf {T}}=-C_{(-)};~~~C_{(-)}^{2}=-1}
11 {\displaystyle 11} C ( ) T = C ( ) ;       C ( ) 2 = 1 {\displaystyle C_{(-)}^{\textsf {T}}=-C_{(-)};~~~C_{(-)}^{2}=-1}

Обратите внимание, что это базовый выбор. C ( ± ) = C ( ± ) {\displaystyle C_{(\pm )}^{*}=C_{(\pm )}}

Свойства симметрии

Обозначим произведение гамма-матриц через

Γ a b c = Γ a Γ b Γ c {\displaystyle \Gamma _{abc\dotsm }=\Gamma _{a}\cdot \Gamma _{b}\cdot \Gamma _{c}\cdots {}}

и обратите внимание, что свойство антикоммутативности позволяет нам упростить любую такую ​​последовательность до той, в которой индексы различны и возрастают. Поскольку различные антикоммутативны, это мотивирует введение антисимметричного "среднего". Мы вводим антисимметризованные произведения различных n -кортежей из 0, ..., d − 1: Γ a {\displaystyle \Gamma _{a}}

Γ a 1 a n = 1 n ! π S n ϵ ( π ) Γ a π ( 1 ) Γ a π ( n )   , {\displaystyle \Gamma _{a_{1}\dots a_{n}}={\frac {1}{n!}}\sum _{\pi \in S_{n}}\epsilon (\pi )\Gamma _{a_{\pi (1)}}\cdots \Gamma _{a_{\pi (n)}}~,}

где π пробегает все перестановки n символов , а ϵчередующийся символ . Существует 2 d таких произведений, но только N 2 являются независимыми, охватывая пространство матриц N × N.

Обычно Γ ab обеспечивает (би)спинорное представление 1/2d ( d − 1) генераторы многомерной группы Лоренца , SO + (1, d − 1) , обобщающие 6 матриц σ μν спинового представления группы Лоренца в четырех измерениях.

Для четного d можно дополнительно определить эрмитову киральную матрицу

Γ chir = i d 2 1 Γ 0 Γ 1 Γ d 1   , {\displaystyle \Gamma _{\text{chir}}=i^{{\frac {d}{2}}-1}\Gamma _{0}\Gamma _{1}\dotsm \Gamma _{d-1}~,}

такая, что 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 Γ называется симметричной, если

( C Γ a 1 a n ) T = + ( C Γ a 1 a n )   ; {\displaystyle (C\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{n}})^{\textsf {T}}=+(C\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{n}})~;}

в противном случае, для знака −, он называется антисимметричным.

В предыдущем выражении C может быть либо , либо . В нечетной размерности неоднозначности нет, но в четной размерности лучше выбрать тот из или , который допускает спиноры Майораны. В d = 6 такого критерия нет, поэтому мы рассматриваем оба. C ( + ) {\displaystyle C_{(+)}} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}} C ( + ) {\displaystyle C_{(+)}} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}}

гССимметричныйАнтисимметричный
3 {\displaystyle 3} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}} γ a {\displaystyle \gamma _{a}} I 2 {\displaystyle I_{2}}
4 {\displaystyle 4} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}} γ a   ,   γ a 1 a 2 {\displaystyle \gamma _{a}~,~\gamma _{a_{1}a_{2}}} I 4   ,   γ chir   ,   γ chir γ a {\displaystyle I_{4}~,~\gamma _{\text{chir}}~,~\gamma _{\text{chir}}\gamma _{a}}
5 {\displaystyle 5} C ( + ) {\displaystyle C_{(+)}} Γ a 1 a 2 {\displaystyle \Gamma _{a_{1}a_{2}}} I 4   ,   Γ a {\displaystyle I_{4}~,~\Gamma _{a}}
6 {\displaystyle 6} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}} I 8   ,   Γ chir Γ a 1 a 2   ,   Γ a 1 a 2 a 3 {\displaystyle I_{8}~,~\Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a_{1}a_{2}}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}a_{3}}} Γ a   ,   Γ chir   ,   Γ chir Γ a   ,   Γ a 1 a 2 {\displaystyle \Gamma _{a}~,~\Gamma _{\text{chir}}~,~\Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}}}
7 {\displaystyle 7} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}} I 8   ,   Γ a 1 a 2 a 3 {\displaystyle I_{8}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}a_{3}}} Γ a   ,   Γ a 1 a 2 {\displaystyle \Gamma _{a}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}}}
8 {\displaystyle 8} C ( + ) {\displaystyle C_{(+)}} I 16   ,   Γ a   ,   Γ chir   ,   Γ chir Γ a 1 a 2 a 3   ,   Γ a 1 a 4 {\displaystyle I_{16}~,~\Gamma _{a}~,~\Gamma _{\text{chir}}~,~\Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a_{1}a_{2}a_{3}}~,~\Gamma _{a_{1}\dots a_{4}}} Γ chir Γ a   ,   Γ a 1 a 2   ,   Γ chir Γ a 1 a 2   ,   Γ a 1 a 2 a 3 {\displaystyle \Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}}~,~\Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a_{1}a_{2}}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}a_{3}}}
9 {\displaystyle 9} C ( + ) {\displaystyle C_{(+)}} I 16   ,   Γ a   ,   Γ a 1 a 4   ,   Γ a 1 a 5 {\displaystyle I_{16}~,~\Gamma _{a}~,~\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{4}}~,~\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{5}}} Γ a 1 a 2   ,   Γ a 1 a 2 a 3 {\displaystyle \Gamma _{a_{1}a_{2}}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}a_{3}}}
10 {\displaystyle 10} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}} Γ a   ,   Γ chir   ,   Γ chir Γ a   ,   Γ a 1 a 2   ,   Γ chir Γ a 1 a 4   ,   Γ a 1 a 5 {\displaystyle \Gamma _{a}~,~\Gamma _{\text{chir}}~,~\Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}}~,~\Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{4}}~,~\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{5}}} I 32   ,   Γ chir Γ a 1 a 2   ,   Γ a 1 a 2 a 3   ,   Γ a 1 a 4   ,   Γ chir Γ a 1 a 2 a 3 {\displaystyle I_{32}~,~\Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a_{1}a_{2}}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}a_{3}}~,~\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{4}}~,~\Gamma _{\text{chir}}\Gamma _{a_{1}a_{2}a_{3}}}
11 {\displaystyle 11} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}} Γ a   ,   Γ a 1 a 2   ,   Γ a 1 a 5 {\displaystyle \Gamma _{a}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}}~,~\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{5}}} I 32   ,   Γ a 1 a 2 a 3   ,   Γ a 1 a 4 {\displaystyle I_{32}~,~\Gamma _{a_{1}a_{2}a_{3}}~,~\Gamma _{a_{1}\dotsm a_{4}}}

Идентичности

Доказательство следовых тождеств для гамма-матриц справедливо для всех четных измерений. Поэтому нужно только вспомнить случай 4D , а затем изменить общий множитель 4 на . Для других тождеств (тех, которые включают сокращение) появятся явные функции от . tr ( I N ) {\displaystyle \operatorname {tr} (I_{N})} d {\displaystyle d}

  1. γ μ γ μ = d I N {\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma _{\mu }=dI_{N}}
  2. γ μ γ ν γ μ = ( 2 d ) γ ν {\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma _{\mu }=(2-d)\gamma ^{\nu }}
  3. γ μ γ ν γ ρ γ μ = 2 γ ρ γ ν + ( d 2 ) γ ν γ ρ {\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }\gamma _{\mu }=2\gamma ^{\rho }\gamma ^{\nu }+(d-2)\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }}
  4. γ μ γ ν γ ρ γ σ γ μ = 2 γ ρ γ σ γ ν 2 γ ν γ σ γ ρ ( d 2 ) γ ν γ ρ γ σ {\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }\gamma ^{\sigma }\gamma _{\mu }=2\gamma ^{\rho }\gamma ^{\sigma }\gamma ^{\nu }-2\gamma ^{\nu }\gamma ^{\sigma }\gamma ^{\rho }-(d-2)\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }\gamma ^{\sigma }}

Даже когда число физических измерений равно четырем, эти более общие тождества повсеместно используются в вычислениях циклов из-за размерной регуляризации .

Пример явной конструкции

Матрицы Γ можно построить рекурсивно, сначала во всех четных измерениях, d = 2k , а затем в нечетных, 2k + 1.

г= 2

Используя матрицы Паули , возьмем

γ 0 = σ 1 , γ 1 = i σ 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\gamma _{0}&=\sigma _{1},&\gamma _{1}&=-i\sigma _{2}\end{aligned}}}

и можно легко проверить, что матрицы зарядового сопряжения

C ( + ) = σ 1 = C ( + ) = s ( 2 , + ) C ( + ) T = s ( 2 , + ) C ( + ) 1 s ( 2 , + ) = + 1 C ( ) = i σ 2 = C ( ) = s ( 2 , ) C ( ) T = s ( 2 , ) C ( ) 1 s ( 2 , ) = 1   . {\displaystyle {\begin{aligned}C_{(+)}=\sigma _{1}=C_{(+)}^{*}=s_{(2,+)}C_{(+)}^{\textsf {T}}&=s_{(2,+)}C_{(+)}^{-1}&s_{(2,+)}&=+1\\C_{(-)}=i\sigma _{2}=C_{(-)}^{*}=s_{(2,-)}C_{(-)}^{\textsf {T}}&=s_{(2,-)}C_{(-)}^{-1}&s_{(2,-)}&=-1~.\end{aligned}}}

Наконец, можно определить эрмитово хиральное γ chir как

γ chir = γ 0 γ 1 = σ 3 = γ chir   . {\displaystyle \gamma _{\text{chir}}=\gamma _{0}\gamma _{1}=\sigma _{3}=\gamma _{\text{chir}}^{\dagger }~.}

Даже общийг= 2к

Теперь можно построить матрицы Γ a , ( a = 0, ... , d + 1) и зарядовые сопряжения C (±) в d + 2 измерениях, начиная с матриц γ a' , ( a' = 0, ... , d − 1 ) и c (±) в d измерениях.

Явно,

Γ a = γ a σ 3       ( a = 0 , , d 1 )   , Γ d = I ( i σ 1 )   , Γ d + 1 = I ( i σ 2 )   . {\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma _{a'}&=\gamma _{a'}\otimes \sigma _{3}~~~\left(a'=0,\dots ,d-1\right)~,&\Gamma _{d}&=I\otimes (i\sigma _{1})~,&\Gamma _{d+1}&=I\otimes (i\sigma _{2})~.\end{aligned}}}

Затем можно построить матрицы сопряжения зарядов,

C ( + ) = c ( ) σ 1   , C ( ) = c ( + ) ( i σ 2 )   , {\displaystyle {\begin{aligned}C_{(+)}&=c_{(-)}\otimes \sigma _{1}~,&C_{(-)}&=c_{(+)}\otimes (i\sigma _{2})~,\end{aligned}}}

со следующими свойствами,

C ( + ) = C ( + ) = s ( d + 2 , + ) C ( + ) T = s ( d + 2 , + ) C ( + ) 1 s ( d + 2 , + ) = s ( d , ) C ( ) = C ( ) = s ( d + 2 , ) C ( ) T = s ( d + 2 , ) C ( ) 1 s ( d + 2 , ) = s ( d , + )   . {\displaystyle {\begin{aligned}C_{(+)}=C_{(+)}^{*}=s_{(d+2,+)}C_{(+)}^{\textsf {T}}&=s_{(d+2,+)}C_{(+)}^{-1}&s_{(d+2,+)}&=s_{(d,-)}\\C_{(-)}=C_{(-)}^{*}=s_{(d+2,-)}C_{(-)}^{\textsf {T}}&=s_{(d+2,-)}C_{(-)}^{-1}&s_{(d+2,-)}&=-s_{(d,+)}~.\end{aligned}}}

Начиная со значений знаков для d = 2, s (2,+) = +1 и s (2,−) = −1, можно зафиксировать все последующие знаки s ( d ,±), которые имеют периодичность 8; явно, можно найти

d = 8 k {\displaystyle d=8k} d = 8 k + 2 {\displaystyle d=8k+2} d = 8 k + 4 {\displaystyle d=8k+4} d = 8 k + 6 {\displaystyle d=8k+6}
s ( d , + ) {\displaystyle s_{(d,+)}} +1+1−1−1
s ( d , ) {\displaystyle s_{(d,-)}} +1−1−1+1

Опять же, можно определить эрмитову хиральную матрицу в d +2 измерениях как

Γ chir = α d + 2 Γ 0 Γ 1 Γ d + 1 = γ chir σ 3   , α d = i 1 2 d 1   , {\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma _{\text{chir}}&=\alpha _{d+2}\Gamma _{0}\Gamma _{1}\dotsm \Gamma _{d+1}=\gamma _{\text{chir}}\otimes \sigma _{3}~,&\alpha _{d}&=i^{{\frac {1}{2}}d-1}~,\end{aligned}}}

который является диагональным по построению и преобразуется при зарядовом сопряжении как

C ( ± ) Γ chir C ( ± ) 1 = β d + 2 Γ chir T   , β d = ( ) 1 2 d ( d 1 )   . {\displaystyle {\begin{aligned}C_{(\pm )}\Gamma _{\text{chir}}C_{(\pm )}^{-1}&=\beta _{d+2}\Gamma _{\text{chir}}^{\textsf {T}}~,&\beta _{d}&=(-)^{{\frac {1}{2}}d(d-1)}~.\end{aligned}}}

Таким образом, очевидно, что chir , Γ a } = 0. После применения перестановки, делающей собственные значения +1 и -1 хиральной матрицы последовательными, этот выбор становится прямым аналогом хирального базиса в четырех измерениях.

Общий странныйг= 2к+ 1

Рассмотрим предыдущую конструкцию для d − 1 (которое четно) и просто возьмем все матрицы Γ a ( a = 0, ..., d − 2) , к которым добавим ее i Γ chir ≡ Γ d −1 . ( i требуется для получения антиэрмитовой матрицы и расширения в пространственноподобную метрику).

Наконец, вычислите матрицу сопряжения зарядов: выберите между и таким образом, чтобы Γ d −1 преобразулась так же, как и все остальные матрицы Γ . Явно, требуется C ( + ) {\displaystyle C_{(+)}} C ( ) {\displaystyle C_{(-)}}

C ( s ) Γ chir C ( s ) 1 = β d Γ chir T = s Γ chir T   . {\displaystyle C_{(s)}\Gamma _{\text{chir}}C_{(s)}^{-1}=\beta _{d}\Gamma _{\text{chir}}^{\textsf {T}}=s\Gamma _{\text{chir}}^{\textsf {T}}~.}

При изменении размерности d закономерности обычно повторяются с периодом 8. (ср. часы алгебры Клиффорда .)

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Возможно и даже вероятно, что многие или большинство формул и таблиц в этом и последующих разделах справедливы в общем случае; однако это не было проверено. Этот и последующие разделы изначально были написаны с предположением о метрике (1,d−1).

Ссылки

  1. ^ abc Petitjean, Michel (2020). "Пересмотр хиральности спиноров Дирака". Симметрия . 12 (4): 616. doi : 10.3390/sym12040616 .
  2. ^ Юрген Йост, (2002) "Риманова геометрия и геометрический анализ (3-е издание)", Springer. См. Главу 1, раздел 1.8.

Общее чтение

  • 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.
  • Пайс, Абрахам (1962). "О спинорах в n измерениях". Журнал математической физики . 3 (6): 1135. Bibcode :1962JMP.....3.1135P. doi : 10.1063/1.1703856 .
  • Gliozzi, F.; Scherk, Joel; Olive, D. (1977). "Суперсимметрия, теории супергравитации и модель двойного спинора" (PDF) . Nuclear Physics B . 122 (2): 253. Bibcode :1977NuPhB.122..253G. doi :10.1016/0550-3213(77)90206-1.
  • Кеннеди, А. Д. (1981). «Алгебры Клиффорда в измерениях 2ω». Журнал математической физики . 22 (7): 1330. Bibcode : 1981JMP....22.1330K. doi : 10.1063/1.525069.
  • де Вит, Брайс и Смит, Дж. (1986). Теория поля в физике элементарных частиц (Персональная библиотека Северной Голландии), том 1, Мягкая обложка, Приложение E (Архивировано из оригинала), ISBN 978-0444869999 
  • Мураяма, Х. (2007). «Заметки об алгебре Клиффорда и представлениях Spin(N)»
  • Пьетро Джузеппе Фре (2012). «Гравитация, геометрический курс: Том 1: Развитие теории и основные физические приложения». Springer-Verlag. ISBN 9400753608. См . стр. 315 и далее. 
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Higher-dimensional_gamma_matrices&oldid=1253828104"