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 iφ 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 H — эрмитово . 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
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]
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 3 − Y. 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 p ↔ q . 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 .
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]
Здесь,
и
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).
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
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) .
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 i † â 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
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]
Симметричен относительно всех частиц.
Антисимметричный по отношению ко всем частицам.
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.
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]
Строка не должна быть длиннее предыдущей.
Квантовые метки (числа в □ ) не должны уменьшаться при движении слева направо в строке.
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.
^ 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.
^ 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.
^ Паис, там же (3.66)
^ Холл 2015 Глава 6
^ Холл 2015 Предложение 13.11
^ Холл 2015 Теорема 5.6
^ Холл 2015 Раздел 3.6
^ См. доказательство предложения 6.17 в Hall 2015.
^ Холл 2015 Теорема 6.27 и Пример 10.23
^ ab Greiner & Müller 2012, Ch. 10.15 Примечание: в последней цитате результата есть опечатка — в уравнении 10.121 первым должно быть a .
^ Сеннер и Шультен
^ 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)])
^ 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.
^ 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. ISBN978-0-08-047069-6.
^ abc http://hepwww.rl.ac.uk/Haywood/Group_Theory_Lectures/Lecture_4.pdf [ голый URL PDF ]
^ ab "Некоторые заметки о таблицах Юнга, полезных для irreps для su(n)" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-11-07 . Получено 2014-11-07 .
Лихтенберг, ДБ (2012). Унитарная симметрия и элементарные частицы (2-е изд.). Academic Press. ISBN 978-0123941992.
Грейнер, В .; Мюллер, Б. (2012). Квантовая механика: Симметрии (2-е изд.). Springer. ISBN 978-3540580805.
Холл, Брайан С. (2015), Группы Ли, алгебры Ли и представления: элементарное введение , Graduate Texts in Mathematics, т. 222 (2-е изд.), Springer, ISBN 978-3319134666
McNamee, P.; j., S.; Chilton, F. (1964). "Таблицы коэффициентов Клебша–Гордана SU3". Reviews of Modern Physics . 36 (4): 1005. Bibcode : 1964RvMP...36.1005M. doi : 10.1103/RevModPhys.36.1005.
Мандельцвейг, ВБ (1965). «Неприводимые представления группы SU3». Sov Phys JETP . 20 (5): 1237–1243.онлайн
Коулмен, Сидней (1965). "Веселье с SU(3)". INSPIREHep . МАГАТЭ.
Плухар, З.; Смирнов, Ю. Ф.; Толстой, В. Н. (1986). «Коэффициенты Клебша-Гордана SU(3) с простыми свойствами симметрии». Журнал физики A: Математический и общий . 19 (1): 21–28. Bibcode :1986JPhA...19...21P. doi :10.1088/0305-4470/19/1/007.