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Coeficientes de Clebsch-Gordan en campos causales

Estoy tratando de entender la sección 5.7 del libro de teoría de campos de Weinberg. La tarea consiste en construir campos causales que se transforman de acuerdo con la $(A,B)$ representaciones del grupo propio de Lorentz ortocrónico:

$$\psi_{ab}(x) = (2 \pi)^{-3/2}\sum_\sigma \int \mathrm{d}^3p \left[\kappa \, a(\mathbf{p},\sigma)\, \mathrm{e}^{\mathrm{i} p \cdot x} u_{ab}(\mathbf{p},\sigma) + \lambda a^{c \dagger}(\mathbf{p},\sigma)\mathrm{e}^{-\mathrm{i} p \cdot x} v_{ab}(\mathbf{p},\sigma)\right].$$

En particular, quiero saber cómo calcular el $u_{ab}(0,\sigma)$ y cómo se relacionan con la polarización. Weinberg dice que estos son simplemente los coeficientes de Clebsch-Gordan:

$$u_{ab}(0,\sigma) = \frac{1}{\sqrt{2m}} C_{AB}(j \sigma ; a b)$$

Por ejemplo, en el caso de un bosón masivo de espín 1 sabemos que los campos se visten con vectores de polarización: $$\epsilon^\mu(0,0) \sim (0,0,0,1)$$ $$\epsilon^\mu(0,-1) \sim (0,1,-\mathrm{i},0)$$ $$\epsilon^\mu(0,1) \sim (0,1,\mathrm{i},0)$$

Supongo que podemos escribirlos como bispinores a través de la contracción con matrices de pauli: $$u_{ab}(\sigma = \{0, \, 1, \, -1\}) = \left\{\left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & -1 \\ \end{array} \right),\left( \begin{array}{cc} 0 & 2 \\ 0 & 0 \\ \end{array} \right),\left( \begin{array}{cc} 0 & 0 \\ 2 & 0 \\ \end{array} \right)\right\}$$

Tengo tres preguntas relacionadas:

  1. Esos bispinores son supuestamente proporcionales a $C_{A B}(j \sigma ; ab)$ para alguna elección de $A \, B, \, j.$ ¿Cuáles son los valores de $A, \, B, \, j$ ?
  2. ¿Cómo se parte de la noción de "bosón masivo de espín 1" y se deducen los valores mencionados?
  3. ¿Y un bosón masivo de espín 2? ¿Cuáles son los $C_{A B}(j \sigma ; ab)$ ¿y cómo extraemos de ellos los 5 tensores de polarización?

Hay una pregunta similar ( $(A,B)$ -Representación del Grupo de Lorentz: Funciones de coeficiente de los campos ), pero el alcance de éste es mucho más limitado a propósito, ya que la raíz de mi dificultad con el tema es que la presentación es muy general y carece de cálculos explícitos.

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Un giro masivo $1$ El bosón está mejor representado por un campo vectorial $V^{\mu}$ que se transforma con respecto a la $(\frac{1}{2},\frac{1}{2})$ representación del grupo de Lorentz, con la restricción de Lorentz $\partial_{\mu}V^{\mu}=0$ . Los coeficientes de Clebsch-Gordan que son relevantes aquí son $C_{1/2,1/2}(1\sigma,ab)$

Las matrices a las que se llega son

$$u_{ab}(\sigma=\{-1,0,1\})=\left\{\begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix},\begin{pmatrix}0&1/\sqrt2\\1/\sqrt2&0\end{pmatrix},\begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix}\right\}$$

No hay una relación inmediata entre estos y lo que escribiste.

Un giro masivo $2$ se representa con un tensor simétrico de rango dos $g_{\mu\nu}$ que se transforma con respecto a la $(1,1)\oplus(0,0)$ representación del grupo de Lorentz, con restricciones análogas que eliminan los dos espines $0$ componentes y un giro $1$ componente. Los coeficientes de Clebsch-Gordan relevantes son $C_{1,1}(2\sigma,ab)$

$$u_{ab}(\sigma=\{-2,-1,0,1,2\})=\left\{\begin{pmatrix}1&0&0\\0&0&0\\0&0&0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix}0&1/\sqrt2&0\\1/\sqrt2&0&0\\0&0&0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix}0&0&1/\sqrt6\\0&\sqrt{2/3}&0\\1/\sqrt6&0&0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix}0&0&0\\0&0&1/\sqrt2\\0&1/\sqrt2&0 \end{pmatrix},\begin{pmatrix}0&0&0\\0&0&0\\0&0&1 \end{pmatrix}\right\}$$

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user1379857 Puntos 31

No es una respuesta completa, pero calcular los bosones masivos de espín 2 a partir de bosones masivos de espín 1 es un pequeño ejercicio divertido. Me resulta confuso utilizar las tablas de coeficientes de Clebsch Gordan, y me parece más fácil rehacerlas desde cero.

La repetición del giro 1 tiene tres vectores, $|1\rangle, |0\rangle, |-1\rangle$ que en el marco de reposo $k^\mu = (m,0,0,0)$ corresponden a los vectores de polarización $\epsilon^\mu_1 = \tfrac{1}{\sqrt{2}}(0, 1, i, 0)$ , $\epsilon^\mu_0 = (0, 0, 0, 1)$ , $\epsilon^\mu_{-1} = \tfrac{1}{\sqrt{2}}(0, -1, i, 0)$ . Obsérvese que todas ellas satisfacen la restricción $k^\mu \epsilon_\mu = 0$ .

Ahora, bajo el giro $1$ rep, tenemos \begin{align} J_\pm^{(1)} &= J_x^{(1)} \pm i J_y^{(1)} \\ J_-^{(1)} | 1 \rangle &= \sqrt{2} |0 \rangle \\ J_-^{(1)} | 0 \rangle &= \sqrt{2} |-1 \rangle \\ J_z^{(1)} | m \rangle &= m |m\rangle \end{align} Si tensorizamos dos espines $1$ reps juntos, obtenemos $1 \otimes 1 = 2 \oplus 1 \oplus 0$ . Sólo queremos el $2$ rep. Podemos deducir la descomposición de Clebsch Gordan por nosotros mismos de la siguiente manera. Comenzamos haciendo un estado con $m = 2$ y luego usar el operador de descenso repetidamente en el estado. Así, en nuestro producto tensorial $1 \otimes 1$ los operadores del álgebra de Lie se convierten en $$ J_i \equiv 1 \otimes J_i^{(1)} + J_i^{(1)} \otimes 1. $$ Ahora, la única opción para el $m=2$ El estado es $$ |2\rangle = |1 \rangle |1 \rangle $$ y puede comprobar que $J_z |2 \rangle = 2 |2 \rangle.$ A continuación, calculamos la acción del operador de descenso utilizando nuestra expresión para $J_\pm$ asegurándonos de definir nuestros estados rebajados con la normalización adecuada para que los estados los escribamos como $|m\rangle$ todos tienen norma $1$ . \begin{align} J_-|2\rangle &= \sqrt{2}( |1\rangle |0 \rangle+|0\rangle |1 \rangle) \equiv 2 |1\rangle \\ J_-|1\rangle &= 2 |0\rangle |0\rangle + |1\rangle |-1\rangle + |-1\rangle |1\rangle \equiv \sqrt{6} | 0 \rangle \\ J_-|0\rangle &= \frac{1}{\sqrt{3}}(3 |-1\rangle |0\rangle + 3 |0\rangle |-1\rangle ) \equiv \sqrt{6} |-1\rangle\\ J_-|-1\rangle &= 2 |-1\rangle |-1 \rangle \equiv 2 |-1\rangle. \end{align}

Así que, reformulando nuestros resultados, \begin{align} |2\rangle &= |1\rangle |1\rangle \\ |1\rangle &= \tfrac{1}{\sqrt{2}} (|1\rangle |0\rangle + |0\rangle |1\rangle )\\ |0\rangle &= \tfrac{1}{\sqrt{6}} ( 2 |0\rangle |0\rangle + |1\rangle |-1\rangle + |-1\rangle |1\rangle ) \\ |-1\rangle &= \tfrac{1}{\sqrt{2}} (|-1\rangle |0\rangle + |0\rangle |-1\rangle ) \\ |-2\rangle &= |-1\rangle |-1\rangle. \end{align}

Ahora, para obtener nuestros tensores de polarización de espín 2 $\epsilon^{\mu \nu}$ sólo tenemos que combinar nuestros vectores de polarización de espín 1 $\epsilon^\mu_{-1,0,+1}$ de la manera exacta anterior. Así, por poner un ejemplo, $$ \epsilon^{\mu\nu}_0 = \frac{1}{\sqrt{6}}(2 \epsilon_0^\mu \epsilon_0^\nu + \epsilon_1^\mu \epsilon_{-1}^\nu+ \epsilon_{-1}^\mu \epsilon_1^\nu ). $$ Obsérvese que, por construcción, estos tensores de polarización satisfacen $k_\mu \epsilon^{\mu \nu} = k_\nu \epsilon^{\mu \nu} = 0$ . También resulta que satisfacen $\epsilon^\mu_{\; \mu} = 0$ y son simétricos. (Obsérvese que con este método obtenemos una pequeña muestra del lema "gravedad = E&M^2", aunque estemos trabajando en el caso masivo).

El resultado de tomar estos productos de Kronecker es \begin{align} \epsilon_2^{\mu \nu} &= \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0&0&0&0\\0&1&i&0\\0&i&-1&0\\0&0&0&0 \end{pmatrix} \\ \epsilon_1^{\\mu \nu} &= \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0&0&0&0\\0&0&0&1\\0&0&0&i\\0&1&i&0 \end{pmatrix} \\ \epsilon_0^{\mu \nu} &= \begin{pmatrix} 0&0&0&0\\0&-1&0&0\\0&0&-1&0\\0&0&0&2 \end{pmatrix} \\ \epsilon_{-1}^{\\mu \nu} &= \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0&0&0&0\\0&0&0&-1\\0&0&0&i\\0&-1&i&0 \end{pmatrix} \\ \epsilon_{-2}^{\mu \nu} &= \frac{1}{2} \begin{pmatrix} 0&0&0&0\\0&1&-i&0\\0&-i&-1&0\\0&0&0&0 \end{pmatrix} \\ \fin{span}

Así que, con suerte, puedes ver que los coeficientes de Clebsch Gordan no dan tanto miedo, y que siempre eres libre de rederlos por ti mismo. Hay que reconocer que no trabajamos a partir de tensar juntos cuatro copias del espín $1/2$ caso, sino que utilizó dos copias del giro $1$ caso para aliviar nuestra carga, pero el principio es lo importante.

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