stringtranslate.com

Коэффициенты Клебша–Гордана для SU(3)

В математической физике коэффициенты Клебша–Гордана являются коэффициентами разложения собственных состояний полного углового момента в несвязанном базисе тензорного произведения . Математически они определяют разложение тензорного произведения двух неприводимых представлений в прямую сумму неприводимых представлений, где тип и кратности этих неприводимых представлений известны абстрактно. Название происходит от немецких математиков Альфреда Клебша (1833–1872) и Пауля Гордана (1837–1912), которые столкнулись с эквивалентной проблемой в теории инвариантов .

Обобщение коэффициентов Клебша–Гордана до SU(3) полезно из-за их применимости для характеристики адронных распадов , где существует симметрия аромата SU(3) ( восьмеричный путь ), которая связывает три легких кварка : верхний , нижний и странный .

Группа СУ(3)

Специальная унитарная группа SU — это группа унитарных матриц , определитель которых равен 1. [1] Это множество замкнуто относительно умножения матриц. Все преобразования, характеризуемые специальной унитарной группой, оставляют нормы неизменными. Симметрия SU(3) появляется в симметрии аромата легких кварков (среди верхних , нижних и странных кварков), называемой Восьмеричным путем (физика) . Та же группа действует в квантовой хромодинамике на цветные квантовые числа кварков, которые образуют фундаментальное (триплетное) представление группы.

Группа SU(3) является подгруппой группы U(3) , группы всех унитарных матриц 3×3. Условие унитарности накладывает девять ограничений на все 18 степеней свободы комплексной матрицы 3×3. Таким образом, размерность группы U(3) равна 9. Более того, умножение a U на фазу, e оставляет норму инвариантной. Таким образом, U(3) можно разложить в прямое произведение U(1) × SU(3)/Z 3 . Из-за этого дополнительного ограничения SU(3) имеет размерность 8.

Генераторы алгебры Ли

Каждая унитарная матрица U может быть записана в виде

где Hэрмитово . Элементы SU(3) можно выразить как

где — 8 линейно независимых матриц, образующих основу алгебры Ли SU (3) в триплетном представлении. Условие единичного определителя требует, чтобы матрицы были бесследовыми, поскольку

.

Явный базис в фундаментальном, 3 , представлении может быть построен по аналогии с алгеброй матриц Паули спиновых операторов. Он состоит из матриц Гелл-Манна ,

Это генераторы группы SU(3) в триплетном представлении, и они нормализованы как

Структурные константы алгебры Ли группы задаются коммутаторами

где — структурные константы, полностью антисимметричные и аналогичные символу Леви-Чивиты SU (2) .

В общем случае они равны нулю, если только не содержат нечетное число индексов из набора {2,5,7}, соответствующих антисимметричному λ s. Примечание .

Более того,

где — полностью симметричные константы коэффициентов. Они обращаются в нуль, если число индексов из набора {2, 5, 7} нечетно. В терминах матриц,

Стандартная основа

Система корней SU (3) . 6 корней взаимно наклонены на π /3 , образуя гексагональную решетку: α соответствует изоспину; β — U-спину; а α + β — V-спину.

Несколько иначе нормализованный стандартный базис состоит из операторов F-спин , которые определены как для 3 и используются для применения к любому представлению этой алгебры .

Базис Картана –Вейля алгебры Ли SU(3) получается еще одним изменением базиса, где определяется [2]

Из-за множителей i в этих формулах, это технически является основой для комплексификации алгебры Ли su(3), а именно sl(3, C ). Предыдущий базис тогда по сути тот же, что использовался в книге Холла. [3]

Коммутационная алгебра генераторов

Стандартная форма генераторов группы SU(3) удовлетворяет коммутационным соотношениям , приведенным ниже:

Все остальные коммутационные соотношения следуют из эрмитова сопряжения этих операторов.

Эти коммутационные соотношения можно использовать для построения неприводимых представлений группы SU(3) .

Представления группы лежат в 2-мерной плоскости I 3Y. Здесь обозначает z-компоненту изоспина , а является гиперзарядом , и они составляют (абелеву) подалгебру Картана полной алгебры Ли. Максимальное число взаимно коммутирующих генераторов алгебры Ли называется ее рангом : SU(3) имеет ранг 2. Оставшиеся 6 генераторов, операторы лестницы ±, соответствуют 6 корням , расположенным на 2-мерной гексагональной решетке фигуры.

Операторы Казимира

Оператор Казимира — это оператор, который коммутирует со всеми генераторами группы Ли. В случае SU (2) квадратичный оператор J 2 является единственным независимым таким оператором.

В случае группы SU (3) , напротив, можно построить два независимых оператора Казимира, квадратичный и кубический: они есть [4]

Эти операторы Казимира служат для обозначения неприводимых представлений групповой алгебры Ли SU(3) , поскольку все состояния в данном представлении принимают одно и то же значение для каждого оператора Казимира, который служит тождеством в пространстве с размерностью этого представления. Это происходит потому, что состояния в данном представлении связаны действием генераторов алгебры Ли, и все генераторы коммутируют с операторами Казимира.

Например, для триплетного представления D (1,0) собственное значение ⁠ ⁠ равно 4/3, а ⁠ ⁠ — 10/9.

В более общем смысле, из формулы Фрейденталя для общего D ( p,q ) собственное значение [ 5]⁠ равно

.

Собственное значение («коэффициент аномалии») ⁠ ⁠ равно [6]

Это нечетная функция относительно замены pq . Следовательно, она исчезает для действительных представлений p = q , таких как сопряженное, D (1,1) , т.е. и ⁠ ⁠ аномалии исчезают для нее.

Представления группы SU(3)

Неприводимые представления группы SU(3) анализируются в различных местах, включая книгу Холла. [7] Поскольку группа SU(3) односвязна, [8] представления находятся во взаимно однозначном соответствии с представлениями ее алгебры Ли [9] su(3) или комплексификации [10] ее алгебры Ли, sl(3, C ).

Мы обозначаем представления как D ( p , q ), где p и q являются неотрицательными целыми числами, где в физических терминах p — число кварков, а q — число антикварков. Математически представление D ( p , q ) может быть построено путем тензорного объединения p копий стандартного 3-мерного представления и q копий дуального представления стандартного представления, а затем извлечения неприводимого инвариантного подпространства. [11] (См. также раздел Таблицы Юнга ниже: p — число столбцов с одним ящиком, «кварков», а q — число столбцов с двумя ящиками, «антикварков»).

Еще один способ рассматривать параметры p и q — как максимальные собственные значения диагональных матриц

.

(Элементы и являются линейными комбинациями элементов и , но нормализованными таким образом, что собственные значения и являются целыми числами.) Это следует сравнить с теорией представлений SU(2) , где неприводимые представления помечены максимальным собственным значением одного элемента h .

Представления имеют размерность [12]

Десятичное представление D (3,0) ( спин 3/2 барионный декуплет)

их неприводимые характеры задаются формулой [13]

и соответствующая мера Хаара [13] такова, что и ,

Мультиплет SU(3) может быть полностью определен пятью метками, две из которых, собственные значения двух Казимиров, являются общими для всех членов мультиплета. Это обобщает простые две метки для мультиплетов SU(2) , а именно собственные значения его квадратичного Казимира и I 3 .

Так как , мы можем маркировать различные состояния собственными значениями и операторами, , для заданного собственного значения изоспина Казимира. Действие операторов на эти состояния есть, [14]

Представление генераторов группы SU(3) .

Здесь,

и

15-мерное представление D (2,1)

Все остальные состояния представления могут быть построены путем последовательного применения операторов лестницы и путем идентификации базовых состояний, которые аннулируются действием понижающих операторов. Эти операторы можно изобразить как стрелки, конечные точки которых образуют вершины шестиугольника (рисунок для генераторов выше).

Коэффициент Клебша – Гордана для SU(3)

Представление произведения двух неприводимых представлений и , как правило, приводимо. Символически,

где ⁠ ⁠ — целое число.

Например, два октета (присоединения) составляют

то есть их произведение сводится к икосасептету ( 27 ), декуплету, двум октетам, антидекуплету и синглету, всего 64 состояния.

Правый ряд называется рядом Клебша–Гордана. Он подразумевает, что представление ⁠ ⁠ появляется ⁠ ⁠ раз в сведении этого прямого произведения с .

Теперь полный набор операторов необходим для однозначного указания состояний каждого неприводимого представления внутри только что приведенного. Полный набор коммутирующих операторов в случае неприводимого представления ⁠ ⁠ равен

где

.

Состояния приведенного выше прямого произведения, таким образом, полностью представлены набором операторов

где число в скобках обозначает представление, на которое действует оператор.

Альтернативный набор коммутирующих операторов можно найти для представления прямого произведения, если рассмотреть следующий набор операторов, [15]

Таким образом, в набор коммутирующих операторов входят

Это набор всего из девяти операторов. Но набор должен содержать десять операторов, чтобы однозначно определить все состояния представления прямого произведения. Чтобы найти последний оператор Γ , нужно искать вне группы. Необходимо различать различные ⁠ ⁠ для похожих значений P и Q.

Таким образом, любое состояние в прямом представлении произведения может быть представлено кет-функцией,

также используя второй полный набор коммутирующих операторов, мы можем определить состояния в представлении прямого произведения как

Мы можем убрать из штата и обозначить штаты как

используя операторы из первого набора, и,

с использованием операторов из второго набора.

Оба эти состояния охватывают представление прямого произведения, и любые состояния в представлении могут быть помечены посредством подходящего выбора собственных значений.

Используя соотношение полноты,

Здесь коэффициенты

— коэффициенты Клебша–Гордана.

Другая нотация

Чтобы избежать путаницы, собственные значения можно одновременно обозначить как μ , а собственные значения одновременно обозначить как ν . Тогда собственное состояние представления прямого произведения можно обозначить как [15]

где — собственные значения и — собственные значения обозначенных одновременно. Здесь величина, выраженная скобками, — это символ Вигнера 3-j .

Кроме того, считаются базисными состояниями и являются базисными состояниями . Также являются базисными состояниями представления продукта. Здесь представляет собой объединенные собственные значения и соответственно.

Таким образом, унитарные преобразования, соединяющие две базы, имеют вид

Это сравнительно компактная запись. Здесь,

— коэффициенты Клебша–Гордана.

Отношения ортогональности

Коэффициенты Клебша–Гордана образуют действительную ортогональную матрицу. Следовательно,

Кроме того, они следуют следующим соотношениям ортогональности:

Свойства симметрии

Если неприводимое представление появляется в ряду Клебша–Гордана , то оно должно появиться в ряду Клебша–Гордана . Что подразумевает,

Поскольку все коэффициенты Клебша–Гордана действительны, можно вывести следующее свойство симметрии:

Где .

Группа симметрии оператора Гамильтона трехмерного осциллятора

Трехмерный гармонический осциллятор описывается гамильтонианом

где константа пружины, масса и постоянная Планка включены в определение переменных, ħ = m =1 .

Видно, что этот гамильтониан симметричен относительно преобразований координат, сохраняющих значение . Таким образом, любые операторы в группе SO(3) сохраняют этот гамильтониан инвариантным.

Что еще более важно, поскольку гамильтониан является эрмитовым, он остается инвариантным при работе с элементами гораздо большей группы SU(3) .

Доказательство того, что группа симметрии линейного изотропного 3D гармонического осциллятора есть SU(3) [16]

Симметричный (диадический) тензорный оператор, аналогичный вектору Лапласа–Рунге–Ленца для задачи Кеплера, может быть определен:

который коммутирует с гамильтонианом,

Поскольку он коммутирует с гамильтонианом (его следом), он представляет 6−1=5 констант движения.

Он обладает следующими свойствами:

За исключением тензорного следа оператора , который является гамильтонианом, оставшиеся 5 операторов можно перестроить в их сферическую компонентную форму следующим образом:

Далее, операторы углового момента записываются в форме сферических компонент как

Они подчиняются следующим коммутационным соотношениям:

Восемь операторов (состоящих из 5 операторов, полученных из бесследового симметричного тензорного оператора Â ij и трех независимых компонент вектора углового момента) подчиняются тем же коммутационным соотношениям, что и бесконечно малые генераторы группы SU(3) , подробно описанные выше.

Таким образом, группа симметрии гамильтониана для линейного изотропного трехмерного гармонического осциллятора изоморфна группе SU(3) .

Более систематически, такие операторы, как операторы Лестницы

и

можно построить операторы, которые увеличивают и уменьшают собственное значение оператора Гамильтона на 1.

Операторы â i и â i не являются эрмитовыми; но эрмитовы операторы могут быть построены из различных их комбинаций, а именно,

.

Существует девять таких операторов для i , j = 1, 2, 3.

Девять эрмитовых операторов, образованных билинейными формами â iâ j, контролируются фундаментальными коммутаторами

и не коммутируют между собой. В результате этот полный набор операторов не разделяет свои собственные векторы, и они не могут быть диагонализированы одновременно. Таким образом, группа неабелева, и в гамильтониане могут присутствовать вырождения, как указано.

Гамильтониан трехмерного изотропного гармонического осциллятора, записанный в терминах оператора, имеет вид

.

Гамильтониан имеет 8-кратное вырождение. Последовательное применение â i и â j слева сохраняет инвариант гамильтониана, поскольку увеличивает N i на 1 и уменьшает N j на 1, тем самым сохраняя общую

  константа. (ср. квантовый гармонический осциллятор )

Максимально коммутирующий набор операторов

Поскольку операторы, принадлежащие группе симметрии гамильтониана, не всегда образуют абелеву группу , невозможно найти общий собственный базис, который диагонализирует их все одновременно. Вместо этого мы берем максимально коммутирующий набор операторов из группы симметрии гамильтониана и пытаемся свести матричные представления группы к неприводимым представлениям.

Гильбертово пространство двух систем

Гильбертово пространство двух частиц является тензорным произведением двух гильбертовых пространств двух отдельных частиц,

где и — гильбертово пространство первой и второй частиц соответственно.

Операторы в каждом из гильбертовых пространств имеют свои собственные коммутационные соотношения, и оператор одного гильбертова пространства коммутирует с оператором из другого гильбертова пространства. Таким образом, группа симметрии двухчастичного гамильтониана оператора является надмножеством групп симметрии гамильтоновых операторов отдельных частиц. Если отдельные гильбертовы пространства являются N -мерными, объединенное гильбертово пространство является N 2 -мерным.

Коэффициент Клебша–Гордана в этом случае

Группа симметрии гамильтониана — SU(3) . В результате коэффициенты Клебша–Гордана можно найти, разложив несвязанные базисные векторы группы симметрии гамильтониана в его связанный базис. Ряд Клебша–Гордана получается путем блочной диагонализации гамильтониана с помощью унитарного преобразования, построенного из собственных состояний, которое диагонализирует максимальный набор коммутирующих операторов.

Молодые картины

Таблица Юнга (множественное число tableaux ) — это метод разложения произведений представления группы SU( N ) в сумму неприводимых представлений. Она предоставляет размерность и типы симметрии неприводимых представлений, что известно как ряд Клебша–Гордана. Каждое неприводимое представление соответствует одночастичному состоянию, а произведение более чем одного неприводимого представления указывает на многочастичное состояние.

Поскольку частицы в квантовой механике в основном неразличимы, это приблизительно относится к нескольким перестановочным частицам. Перестановки n одинаковых частиц составляют симметричную группу S n . Каждое n -частичное состояние S n , которое состоит из одночастичных состояний фундаментального N -мерного мультиплета SU( N ), принадлежит неприводимому представлению SU( N ). Таким образом, его можно использовать для определения ряда Клебша–Гордана для любой унитарной группы. [17]

Построение государств

Любая двухчастичная волновая функция , где индексы 1,2 представляют состояние частицы 1 и 2, может быть использована для генерации состояний явной симметрии с использованием симметризующих и антисимметризующих операторов. [18]

где — оператор, меняющий местами частицы (оператор обмена).

Имеет место следующее соотношение: [18] -

таким образом,

Начиная с многочастичного состояния, мы можем применять и многократно для построения состояний, которые: [18]

  1. Симметричен относительно всех частиц.
  2. Антисимметричный по отношению ко всем частицам.
  3. Смешанные симметрии, т.е. симметричные или антисимметричные относительно некоторых частиц.

Построение таблиц

Вместо использования ψ в таблицах Юнга мы используем квадратные блоки ( ) для обозначения частиц и i для обозначения состояния частиц.

Пример таблицы Юнга. Число внутри квадратов представляет состояние частиц

Полный набор частиц обозначается с помощью s, каждая из которых имеет свою собственную квантовую числовую метку ( i ).

Таблицы формируются путем укладки ящиков рядом друг с другом и сверху вниз таким образом, что состояния, симметризованные относительно всех частиц, располагаются в ряду, а состояния, антисимметризованные относительно всех частиц, находятся в одном столбце. При построении таблиц соблюдаются следующие правила: [17]

  1. Строка не должна быть длиннее предыдущей.
  2. Квантовые метки (числа в ) не должны уменьшаться при движении слева направо в строке.
  3. Квантовые метки должны строго возрастать по мере спуска по столбцу.

Дело дляН= 3

Для N = 3, то есть в случае SU(3), возникает следующая ситуация. В SU(3) есть три метки, они обычно обозначаются как (u,d,s), соответствующие верхним, нижним и странным кваркам, которые следуют алгебре SU(3). Их также можно обозначить в общем виде как (1,2,3). Для двухчастичной системы мы имеем следующие шесть состояний симметрии:

и следующие три антисимметричных состояния:

Таблица из 1 столбца и 3 строк является синглетом, и поэтому все таблицы нетривиальных нечетных чисел SU(3) не могут иметь более двух строк. Представление D(p,q) имеет p+q ячеек в верхней строке и q ячеек во второй строке.

Ряд Клебша–Гордана из таблиц

Ряд Клебша–Гордана представляет собой разложение тензорного произведения двух неприводимых представлений в прямую сумму неприводимых представлений. Это легко выяснить из таблиц Юнга.

Пример ряда Клебша–Гордана для SU(3)

Тензорное произведение триплета с октетом, сводящееся к дециквинтоплету ( 15 ), антисекстет и триплет

схематически выглядит как [19] -

всего 24 состояния. Используя ту же процедуру, любое прямое представление продукта легко сокращается.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ П. Каррутерс (1966) Введение в унитарную симметрию , Interscience. онлайн.
  2. ^ Введение в элементарные частицы - Дэвид Дж. Гриффитс , ISBN  978-3527406012 , Глава 1, Страницы 33-38
  3. ^ Холл 2015 Раздел 6.2
  4. ^ Баргманн, В.; Мошинский, М. (1961). «Групповая теория гармонических осцилляторов (II). Интегралы движения для квадруполь-квадрупольного взаимодействия». Ядерная физика . 23 : 177–199. Bibcode : 1961NucPh..23..177B. doi : 10.1016/0029-5582(61)90253-X.
  5. ^ См. уравнение 3.65 в Pais, A. (1966). "Динамическая симметрия в физике частиц". Reviews of Modern Physics . 38 (2): 215–255. Bibcode :1966RvMP...38..215P. doi :10.1103/RevModPhys.38.215.
  6. ^ Паис, там же (3.66)
  7. ^ Холл 2015 Глава 6
  8. ^ Холл 2015 Предложение 13.11
  9. ^ Холл 2015 Теорема 5.6
  10. ^ Холл 2015 Раздел 3.6
  11. ^ См. доказательство предложения 6.17 в Hall 2015.
  12. ^ Холл 2015 Теорема 6.27 и Пример 10.23
  13. ^ ab Greiner & Müller 2012, Ch. 10.15 Примечание: в последней цитате результата есть опечатка — в уравнении 10.121 первым должно быть a .
  14. ^ Сеннер и Шультен
  15. ^ ab De Swart, JJ (1963). "Модель октета и ее коэффициенты Клебша-Гордана" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 35 (4): 916–939. Bibcode : 1963RvMP...35..916D. doi : 10.1103/RevModPhys.35.916. (Исправление: [ De Swart, JJ (1965). Reviews of Modern Physics . 37 (2): 326. Bibcode :1965RvMP...37..326D. doi : 10.1103/RevModPhys.37.326 .{{cite journal}}: CS1 maint: untitled periodical (link)])
  16. ^ Фрадкин, ДМ (1965). «Трехмерный изотропный гармонический осциллятор и SU3». Американский журнал физики . 33 (3): 207–211. Bibcode : 1965AmJPh..33..207F. doi : 10.1119/1.1971373.
  17. ^ ab Arfken, George B.; Weber, Hans J. (2005). "4. Теория групп". Математические методы для физиков. Международное студенческое издание (6-е изд.). Elsevier. С. 241–320. ISBN 978-0-08-047069-6.
  18. ^ abc http://hepwww.rl.ac.uk/Haywood/Group_Theory_Lectures/Lecture_4.pdf [ голый URL PDF ]
  19. ^ ab "Некоторые заметки о таблицах Юнга, полезных для irreps для su(n)" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-11-07 . Получено 2014-11-07 .