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 .
с положительными записями, отрицательными записями и a , b = 0, 1, ..., d − 1. Установите N = 2 ⌊ 1/2 d ⌋ . 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).
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]
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
Представление гамма - группы выглядит следующим образом.
Существует коллекция генераторов, проиндексированных с помощью
Остальные генераторы подчиняются
Антикоммутатор определяется как для
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
с индексами в порядке возрастания
и Гамма-группа конечна и содержит в себе не более элементов.
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 .
Транспонирование
Для заданных элементов порождающего набора гамма-группы транспозиция или обращение задается формулой
Если есть элементы, все различны, то
Эрмитово сопряжение
Другой автоморфизм гамма-группы задается сопряжением, определяемым на образующих как
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.
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.
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.
Хиральный элемент
Определим хиральный элемент как
где . Хиральный элемент коммутирует с генераторами как
Это квадрат к
Для матриц Дирака хиральный элемент соответствует своему названию, поскольку он играет важную роль в различении хиральности спиноров.
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
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
и
Вышеуказанные отношения недостаточны для определения группы; другие продукты не определены.
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 )
где матрица I N — единичная 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 ,
Транспонирование будет обозначаться небольшим изменением нотации, путем сопоставления, где элемент слева — это абстрактный групповой элемент, а элемент справа — литеральная транспонированная матрица .
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
Их можно построить как действительные матрицы в различных измерениях, как показано в следующей таблице. В четном измерении существуют оба, в нечетном — только один.
г
Обратите внимание, что это базовый выбор.
Свойства симметрии
Обозначим произведение гамма-матриц через
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:
где π пробегает все перестановки n символов , а ϵ — чередующийся символ . Существует 2 d таких произведений, но только N 2 являются независимыми, охватывая пространство матриц N × N.
Для четного d можно дополнительно определить эрмитову киральную матрицу
такая, 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 Γ называется симметричной, если
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.
г
С
Симметричный
Антисимметричный
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 .
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.
и можно легко проверить, что матрицы зарядового сопряжения
Наконец, можно определить эрмитово хиральное γ chir как
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,
Затем можно построить матрицы сопряжения зарядов,
со следующими свойствами,
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
+1
+1
−1
−1
+1
−1
−1
+1
Опять же, можно определить эрмитову хиральную матрицу в d +2 измерениях как
который является диагональным по построению и преобразуется при зарядовом сопряжении как
Таким образом, очевидно, что {Γ 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
При изменении размерности d закономерности обычно повторяются с периодом 8. (ср. часы алгебры Клиффорда .)
^ 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
^ abc Petitjean, Michel (2020). "Пересмотр хиральности спиноров Дирака". Симметрия . 12 (4): 616. doi : 10.3390/sym12040616 .
^ 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.