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Por qué cero modos del operador de Dirac interno deben ser en las representaciones del grupo de isometría del espacio compacto

Imagina un colector $\mathbb{R}^{1,3}\times{}B$ donde $B$ es un grupo compacto-colector con el grupo de isometría $U(1)\times{}SU(2)\times{}SU(3)$.

Consideremos la ecuación de Dirac para una masa Spinor campo.

$iD_{1+n}\Psi=0$

y la separación del espacio compacto parte con el 4-espacio de la parte

$i(D_4+D_{compact})\Psi=0$

vemos que el pacto de dirac operador podría ser considerada como una masa de operador para las 4 dimensiones spinor.

Imagine que estamos interesados en soluciones cuya masa es cero, es decir, soluciones cuyos autovalores de la interna del operador de Dirac es cero.

Estoy tratando de entender la imposibilidad de organizar estos cero modo de fermiones en el complejo de representaciones de la isometría grupo, pero para eso primero debo entender por qué los fermiones obtenidos por reducción dimensional debe formar una representación (sea real o complejo) de mi grupo de isometría.

Esto se afirma en este documento (Witten 1981). En el tercer párrafo de la novena página se dice

Si el estado es un producto de cuatro dimensiones de espacio de Minkowski con una de las $M^{pqr}$ (para nuestros propósitos, esto solo significa un grupo compacto manidold con el grupo de isometría), entonces el cero modos de Dirac operador en el interior de la plaza se automatucally forma multiplets de $U(1)\times{}SU(2)\times{}SU(3)$ ya que esta es la simetría del espacio interior.

Podría alguien por favor de ser más explícita de por qué esto es así?

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Robin Ekman Puntos 6938

Creo que podría ser simplemente que el operador de Dirac es invariante bajo isometrías, así que si $\phi$ es una isometría y $\psi$ una solución a $$D\psi = 0,$$ then $\phi^* \psi$ is also a solution, where $\phi^*$is pullback. Then it would be similar to how harmonic functions $f$ on the sphere -- $\nabla^2 f = 0$ -- come in representations of the rotation group, the $Y^l_m$.

En más detalle si $\phi$ es un diffemorphism, que en coordenadas toma la forma $y^\mu = y^\mu(x^\nu)$ (no es un tensor de expresión), y $v^\mu$ es un campo vectorial, entonces podemos definir un campo de vectores $$(\phi_* v^\mu)(\phi(p)) = \frac{\partial y^\mu}{\partial x^\nu} v^\nu(p)$$ llamado el pushforward de $v^\mu$. Naturalmente podemos pushforward cualquier tensor, en particular la métrica. Por definición, $\phi$ es una isometría si $$(\phi_* g_{\mu\nu})(\phi(p))= g_{\mu\nu}(\phi(p)).$$

Esto significa que si tenemos alguna tetrad (también conocido como un vierbein o un "frame"), que es un conjunto de campos vectoriales $e_a^\mu$ tal que $e_{a\mu} e^\mu_b = \eta_{ab}$ para algunos simétrica matriz $\eta_{ab}$ con la firma de $+---$, es empujado hacia adelante a otro tetrad. Dejo $\eta_{ab}$ ser general, porque en spinor problemas es más natural utilizar un null tetrad$$\eta_{ab} = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & -1 & 0\end{pmatrix}.$$ Desde $\eta_{ab}$ tiene ceros en la diagonal todos los tetrad vectores son nulos. Es bien conocido (véase, por ejemplo, Spinors y el espacio-tiempo o el Newman-Penrose de papel) que a cada null tetrad corresponde exactamente dos bases de dos spinors, llamado díadas, decir $(o^A, \iota^A)$$(-o^A, \iota^A)$. Por lo tanto, al menos para isometrías conectado a la identidad, el pushforward de tétradas levanta a una pushforward de díadas. (Sin embargo, cuando el grupo de isometría no está simplemente conectado, esto podría no ser continua a nivel mundial, pero creo que no importa aquí, ya que podemos considerar isometrías cerca de la identidad, que nos llevará a la Mentira álgebra representaciones, y luego integramos, y descartar las representaciones que requiere pasar a la conecta simplemente a la cubierta.)

Ya podemos pushforward díadas podemos pushforward dos spinors (linealidad), ya que puede pushforward dos spinors podemos pushforward Dirac spinors. $\newcommand{\Dslash}{\!\not D}$ , En particular, para un Dirac spinor $\psi$, $\Dslash\psi$ por supuesto, también una de Dirac spinor, por lo que $$\beta = \phi_* (\Dslash\psi) = \phi_* (\Dslash \phi^* \phi_* \psi) $$ makes sense, where $\phi^*$ as the inverse of $\phi_*$ so the second equality is just inserting the identity. Now $\phi_* \Dslash \phi^*$ defines a differential operator, it is the transformed Dirac operator under the isometry $\phi$. But since the Dirac operator is defined by the metric and $\phi$ preserva la métrica, esto debe ser sólo el operador de Dirac de nuevo. (Usted probablemente puede hacer este argumento más convincente.)

Así, hemos establecido que $$\beta = \Dslash (\phi_*\psi). $$ In particular if $\beta = 0$, so that $\psi$ is a zero mode for the Dirac operator, then $\tilde{\psi} = \phi_* \psi$ es también una solución. Así, el grupo de isometría (o al menos su Mentira álgebra) actúa sobre cero modos.

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