En física matemática , las matrices gamma ,También llamadas matrices de Dirac , son un conjunto de matrices convencionales con relaciones de anticonmutación específicas que aseguran que generen una representación matricial del álgebra de Clifford.También es posible definir matrices gamma de dimensiones superiores . Cuando se interpretan como las matrices de la acción de un conjunto de vectores base ortogonales para vectores contravariantes en el espacio de Minkowski , los vectores columna sobre los que actúan las matrices se convierten en un espacio de espinores , sobre el cual actúa el álgebra de Clifford del espaciotiempo . Esto, a su vez, permite representar rotaciones espaciales infinitesimales y transformaciones de Lorentz . Los espinores facilitan los cálculos del espaciotiempo en general, y en particular son fundamentales para la ecuación de Dirac para el espín relativista.partículas. Las matrices gamma fueron introducidas por Paul Dirac en 1928. [ 1 ] [ 2 ]
En la representación de Dirac , las cuatro matrices gamma contravariantes son
es la matriz hermitiana de tipo temporal . Las otras tres son matrices antihermitianas de tipo espacial . De forma más compacta,ydóndedenota el producto de Kronecker y el(para j = 1, 2, 3 ) denotan las matrices de Pauli .
Además, para discusiones sobre teoría de grupos, la matriz identidad ( I ) a veces se incluye con las cuatro matrices gamma, y hay una matriz auxiliar, una "quinta" matriz sin traza que se usa junto con las matrices gamma regulares.
La "quinta matriz"no es un miembro propiamente dicho del conjunto principal de cuatro; se utiliza para separar las representaciones quirales nominales izquierda y derecha .
Las matrices gamma poseen una estructura de grupo, el grupo gamma , compartida por todas las representaciones matriciales del grupo, en cualquier dimensión y para cualquier signatura de la métrica. Por ejemplo, las matrices de Pauli de 2×2 son un conjunto de matrices gamma en el espacio tridimensional con métrica de signatura euclidiana (3, 0). En cinco dimensiones espaciotemporales , las cuatro matrices gamma mencionadas anteriormente, junto con la quinta matriz gamma que se presentará a continuación, generan el álgebra de Clifford.
Estructura matemática
La propiedad definitoria para que las matrices gamma generen un álgebra de Clifford es la relación de anticonmutación.
donde las llavesrepresenta el anticonmutador ,es la métrica de Minkowski con signatura (+ − − −) , yes la matriz identidad de 4 × 4 .
Esta propiedad definitoria es más fundamental que los valores numéricos utilizados en la representación específica de las matrices gamma. Las matrices gamma covariantes se definen por
y se asume la notación de Einstein .
Nótese que la otra convención de signos para la métrica, (− + + +), requiere un cambio en la ecuación definitoria:
o una multiplicación de todas las matrices gamma por, lo que por supuesto cambia sus propiedades de hermiticidad detalladas a continuación. Bajo la convención de signos alternativa para la métrica, las matrices gamma covariantes se definen entonces por
Estructura física
El álgebra de Cliffordsobre el espaciotiempo V puede considerarse como el conjunto de operadores lineales reales de V a sí mismo, End( V ) , o más generalmente, cuando se complejiza acomo el conjunto de operadores lineales de cualquier espacio vectorial complejo de cuatro dimensiones a sí mismo. Más simplemente, dada una base para V ,es simplemente el conjunto de todas las matrices complejas de 4×4 , pero dotado de una estructura de álgebra de Clifford. Se supone que el espaciotiempo está dotado de la métrica de Minkowski η μν . También se supone un espacio de espinores de Dirac, U x , en cada punto del espaciotiempo, dotado de la representación de espinores de Dirac del grupo de Lorentz . Los campos de espinores de Dirac Ψ de las ecuaciones de Dirac, evaluados en cualquier punto x del espaciotiempo, son elementos de U x (véase más adelante). Se supone que el álgebra de Clifford también actúa sobre U x (mediante la multiplicación de matrices con vectores columna Ψ( x ) en U x para todo x ). Esta será la visión principal de los elementos deen esta sección.
Para cada transformación lineal S de U x , existe una transformación de End( U x ) dada por SES −1 para E enSi S pertenece a una representación del grupo de Lorentz, entonces la acción inducida E ↦ SES −1 también pertenecerá a una representación del grupo de Lorentz, véase Teoría de la representación del grupo de Lorentz .
Si S(Λ) es la representación espinorial de Dirac que actúa sobre U x de una transformación de Lorentz arbitraria Λ en la representación estándar (4 vectores) que actúa sobre V , entonces existe un operador correspondiente endada por la ecuación:
mostrando que la cantidad de γ μ puede verse como una base de un espacio de representación de la representación vectorial 4 del grupo de Lorentz que se encuentra dentro del álgebra de Clifford. La última identidad puede reconocerse como la relación definitoria para matrices que pertenecen a un grupo ortogonal indefinido , que esescrito en notación indexada. Esto significa que cantidades de la forma
Deben tratarse como 4 vectores en las manipulaciones. También significa que los índices pueden subirse y bajarse en γ usando la métrica η μν como con cualquier 4 vector. La notación se llama notación de barra de Feynman . La operación de barra mapea la base e μ de V , o cualquier espacio vectorial de 4 dimensiones, a vectores base γ μ . La regla de transformación para cantidades con barra es simplemente
Esto es diferente de la regla de transformación para los γ μ , que ahora se tratan como vectores base (fijos). La designación de la 4 tuplaEl término «vector 4», que a veces aparece en la literatura, resulta un tanto inapropiado. Esta última transformación corresponde a una transformación activa de las componentes de una cantidad tachada en términos de la base γ μ , y la primera a una transformación pasiva de la base γ μ misma.
Rudimentosforman una representación del álgebra de Lie del grupo de Lorentz. Esta es una representación de espín . Cuando estas matrices, y combinaciones lineales de ellas, se exponencian, son representaciones de espinores de Dirac del grupo de Lorentz, por ejemplo, las S(Λ) de arriba son de esta forma. El espacio de 6 dimensiones que abarca σ μν es el espacio de representación de una representación tensorial del grupo de Lorentz. Para los elementos de orden superior del álgebra de Clifford en general y sus reglas de transformación, véase el artículo Álgebra de Dirac . La representación de espín del grupo de Lorentz está codificada en el grupo de espín Spin(1, 3) (para espinores reales, sin carga) y en el grupo de espín complejizado Spin(1, 3) para espinores cargados (de Dirac).
Expresar la ecuación de Dirac
En unidades naturales , la ecuación de Dirac se puede escribir como
dóndees un espinor de Dirac.
Cambiando a la notación de Feynman , la ecuación de Dirac es
La quinta matriz "gamma", γ 5
Es útil definir un producto de las cuatro matrices gamma como , de modo que
- (en la base de Dirac).
A pesar deutiliza la letra gamma, no es una de las matrices gamma deEl índice número 5 es una reliquia de la notación antigua:solía llamarse "".
También tiene una forma alternativa:
utilizando la convencióno
utilizando la convención Prueba:
Esto se puede ver explotando el hecho de que las cuatro matrices gamma anticonmutan, por lo que
dóndees el tipo (4,4) delta de Kronecker generalizado en 4 dimensiones, en antisimetrización completa . Sidenota el símbolo de Levi-Civita en n dimensiones, podemos usar la identidad. Entonces obtenemos, usando la convención
Esta matriz resulta útil en discusiones sobre la quiralidad en mecánica cuántica . Por ejemplo, un campo de Dirac puede proyectarse sobre sus componentes levógira y dextrógira mediante:
Algunas propiedades son:
- Es hermitiano:
- Sus valores propios son ±1, porque:
- Es anticonmutativa con las cuatro matrices gamma:
De hecho,yson autovectores dedesde
- y
Cinco dimensiones
El álgebra de Clifford en dimensiones impares se comporta como dos copias del álgebra de Clifford de una dimensión menos, una copia izquierda y una copia derecha. [ 3 ] : 68 Por lo tanto, se puede emplear un pequeño truco para reutilizar i γ 5 como uno de los generadores del álgebra de Clifford en cinco dimensiones. En este caso, el conjunto { γ 0 , γ 1 , γ 2 , γ 3 , i γ 5 } por lo tanto, por las dos últimas propiedades (teniendo en cuenta que i 2 ≡ −1 ) y las de las gammas 'antiguas', forma la base del álgebra de Clifford en 5 dimensiones espaciotemporales para la signatura métrica (1,4) . [ a ] . [ 4 ] : 97 En la signatura métrica (4,1) , se utiliza el conjunto { γ 0 , γ 1 , γ 2 , γ 3 , γ 5 } , donde los γ μ son los apropiados para la signatura (3,1) . [ 5 ] Este patrón se repite para la dimensión espaciotemporal 2 n par y la siguiente dimensión impar 2 n + 1 para todo n ≥ 1 . [ 6 ] : 457 Para más detalles, véase matrices gamma de dimensiones superiores .
Identidades
Las siguientes identidades se derivan de la relación de anticonmutación fundamental, por lo que se cumplen en cualquier base (aunque la última depende de la elección del signo para).
Identidades diversas
1.
2.
3.
4.
5.
6.dónde
Rastrear identidades
Las matrices gamma obedecen las siguientes identidades de traza :
- Rastro de cualquier producto de un número impar dees cero
- Rastro deveces un producto de un número impar desigue siendo cero
Para demostrar lo anterior se requiere el uso de tres propiedades principales del operador traza :
Normalización
Las matrices gamma pueden elegirse con condiciones de hermiticidad adicionales que, sin embargo, están restringidas por las relaciones de anticonmutación anteriores. Podemos imponer
- , compatible con
y para las demás matrices gamma (para k = 1, 2, 3 )
- , compatible con
Se comprueba inmediatamente que estas relaciones de hermiticidad se cumplen para la representación de Dirac.
Las condiciones anteriores se pueden combinar en la relación
Las condiciones de hermiticidad no son invariantes bajo la acciónde una transformación de Lorentzporqueno es necesariamente una transformación unitaria debido a la no compacidad del grupo de Lorentz.
conjugación de carga
El operador de conjugación de carga , en cualquier base, puede definirse como
dóndedenota la transpuesta de la matriz . La forma explícita queEl valor de `takes` depende de la representación específica elegida para las matrices gamma, salvo un factor de fase arbitrario. Esto se debe a que, si bien la conjugación de carga es un automorfismo del grupo gamma , no es un automorfismo interno (del grupo). Se pueden encontrar matrices conjugadas, pero dependen de la representación.
Las identidades independientes de la representación incluyen:
El operador de conjugación de carga también es unitario., mientras que paraTambién sostiene quepara cualquier representación. Dada una representación de matrices gamma, el factor de fase arbitrario para el operador de conjugación de carga no siempre puede elegirse de tal manera que, como es el caso de las cuatro representaciones comunes que se dan a continuación, conocidas como representación de Dirac, quiral y de Majorana.
Notación de barra de Feynman
La notación de barra de Feynman se define por
para cualquier vector de 4 dimensiones.
Aquí hay algunas identidades similares a las anteriores, pero que involucran la notación de barra inclinada:
- [ 7 ]
- [ 7 ]
- [ 7 ]
- dóndees el símbolo de Levi-Civita yEn realidad, trazas de productos de número impar dees cero y por lo tanto
- para n impar. [ 8 ]
Muchos se derivan directamente de expandir la notación de barra y contraer expresiones de la formacon la identidad apropiada en términos de matrices gamma.
Otras representaciones
Las matrices también se escriben a veces utilizando la matriz identidad de 2×2 ,, y
donde k va de 1 a 3 y las σ k son matrices de Pauli .
Base de Dirac
Las matrices gamma que hemos escrito hasta ahora son apropiadas para actuar sobre espinores de Dirac escritos en la base de Dirac ; de hecho, la base de Dirac se define mediante estas matrices. En resumen, en la base de Dirac:
o utilizando el producto Kronecker :
En la base de Dirac, el operador de conjugación de carga es antisimétrico real, [ 9 ] : 691–700
Base de Weyl (quiral)
Otra opción común es la base de Weyl o quiral , en la quesigue siendo lo mismo peroes diferente, y por lo tantotambién es diferente y diagonal,
o en notación más compacta:
La base de Weyl tiene la ventaja de que sus proyecciones quirales adoptan una forma simple,
Se manifiesta la idempotencia de las proyecciones quirales.
Al abusar ligeramente de la notación y reutilizar los símbolosEntonces podemos identificar
¿Dónde ahora?yson espinores de Weyl de dos componentes, zurdos y diestros.
El operador de conjugación de carga en esta base es antisimétrico real,
La base de Weyl se puede obtener a partir de la base de Dirac como
mediante la transformación unitaria
Base de Weyl (quiral) (forma alternativa)
Otra posible elección [ 10 ] de la base de Weyl tiene
Las proyecciones quirales adoptan una forma ligeramente diferente a la de la otra opción de Weyl,
En otras palabras,
dóndeyson los espinores de Weyl de dos componentes, zurdos y diestros, como antes.
El operador de conjugación de carga en esta base es
Esta base se puede obtener a partir de la base de Dirac anterior comomediante la transformación unitaria
Base de Majorana
También existe la base de Majorana , en la que todas las matrices de Dirac son imaginarias, y los espinores y la ecuación de Dirac son reales. Usando las matrices de Pauli , la base se puede escribir como
dóndees la matriz de conjugación de carga, que coincide con la versión de Dirac definida anteriormente.
La razón para hacer imaginarias todas las matrices gamma es únicamente para obtener la métrica de la física de partículas (+, −, −, −) , en la que las masas al cuadrado son positivas. Sin embargo, la representación de Majorana es real. Se puede factorizar lapara obtener una representación diferente con cuatro espinores reales componentes y matrices gamma reales. La consecuencia de eliminar laes que la única métrica posible con matrices gamma reales es (−, +, +, +) .
La base de Majorana se puede obtener a partir de la base de Dirac anterior comomediante la transformación unitaria
Cl 1,3 (C) y Cl 1,3 (R)
El álgebra de Dirac puede considerarse como una complejización del álgebra real Cl 1,3 (), llamada álgebra del espacio-tiempo :
Cl 1,3 () difiere de Cl 1,3 (): en Cl 1,3 () Solo se permiten combinaciones lineales reales de las matrices gamma y sus productos.
Dos cosas merecen ser señaladas. Como álgebras de Clifford , Cl 1,3 () y Cl 4 () son isomorfos, véase la clasificación de las álgebras de Clifford . La razón es que la signatura subyacente de la métrica del espaciotiempo pierde su signatura (1,3) al pasar a la complejización. Sin embargo, la transformación necesaria para llevar la forma bilineal a la forma canónica compleja no es una transformación de Lorentz y, por lo tanto, no es "permisible" (como mínimo, es impráctica) ya que toda la física está estrechamente ligada a la simetría de Lorentz y es preferible mantenerla manifiesta.
Los defensores del álgebra geométrica se esfuerzan por trabajar con álgebras reales siempre que sea posible. Argumentan que, en general, es posible (y suele ser esclarecedor) identificar la presencia de una unidad imaginaria en una ecuación física. Dichas unidades surgen de una de las muchas cantidades en un álgebra de Clifford real que, al cuadrado, dan como resultado −1, y tienen significado geométrico debido a las propiedades del álgebra y la interacción de sus diversos subespacios. Algunos de estos defensores también cuestionan si es necesario o incluso útil introducir una unidad imaginaria adicional en el contexto de la ecuación de Dirac. [ 11 ] : x–xi
En las matemáticas de la geometría riemanniana , es convencional definir el álgebra de Clifford Cl p,q () para dimensiones arbitrarias p,q . Los espinores de Weyl se transforman bajo la acción del grupo de espín.. La complejización del grupo de espín, llamado grupo espinc, es un productodel grupo de espín con el círculoEl productosimplemente un dispositivo de notación para identificarconEl punto geométrico de esto es que desenreda el espinor real, que es covariante bajo transformaciones de Lorentz, delcomponente, que puede identificarse con elfibra de la interacción electromagnética. Laestá entrelazando la paridad y la conjugación de carga de una manera adecuada para relacionar los estados de partícula/antipartícula de Dirac (equivalentemente, los estados quirales en la base de Weyl). El espinor de Dirac , en la medida en que tiene componentes izquierda y derecha linealmente independientes, puede interactuar con el campo electromagnético. Esto contrasta con el espinor de Majorana y el espinor ELKO (Eigenspinoren des Ladungskonjugationsoperators), que no pueden ( es decir, son eléctricamente neutros), ya que restringen explícitamente el espinor para que no interactúe con el campo electromagnético.parte proveniente de la complejización. El espinor ELKO es un espinor de clase 5 de Lounesto. [ 12 ] : 84
Sin embargo, en la práctica contemporánea de la física, el álgebra de Dirac, en lugar del álgebra espacio-temporal, sigue siendo el entorno estándar en el que "viven" los espinores de la ecuación de Dirac.
Otras propiedades libres de representación
Las matrices gamma son diagonalizables con valores propios.paray valores propiospara.
En particular, esto implica quees simultáneamente hermitiano y unitario, mientras que elson simultáneamente antihermíticas y unitarias.
Además, la multiplicidad de cada valor propio es dos.
En términos más generales, sino es nulo, se cumple un resultado similar. Para mayor concreción, nos restringimos al caso de norma positiva.conEl caso negativo se desarrolla de forma similar.
De ello se deduce que el espacio de soluciones a(es decir, el núcleo del lado izquierdo) tiene dimensión 2. Esto significa que el espacio de soluciones para las soluciones de ondas planas de la ecuación de Dirac tiene dimensión 2.
Este resultado sigue siendo válido para la ecuación de Dirac sin masa. En otras palabras, sinulo, entoncestiene nulidad 2.
Matrices de Dirac euclidianas
En la teoría cuántica de campos se puede realizar una rotación de Wick del eje temporal para transitar del espacio de Minkowski al espacio euclidiano . Esto es particularmente útil en algunos procedimientos de renormalización , así como en la teoría de gauge en la red . En el espacio euclidiano, existen dos representaciones comúnmente utilizadas de las matrices de Dirac:
Representación quiral
Observe que los factores dese han insertado en las matrices gamma espaciales de modo que el álgebra de Clifford euclidiana
surgirá. También vale la pena señalar que hay variantes de esto que insertan en su lugaren una de las matrices, como en los códigos QCD de red que utilizan la base quiral.
En el espacio euclidiano,
Utilizando el anticonmutador y observando que en el espacio euclidiano, uno muestra que
En base quiral en el espacio euclidiano,
que no ha sufrido cambios con respecto a su versión de Minkowski.
Representación no relativista
Notas a pie de página
- ↑ El conjunto de matrices (Γ a ) = ( γ μ , i γ 5 ) con a = (0, 1, 2, 3, 4) satisfacen el álgebra de Clifford de cinco dimensiones {Γ a , Γ b } = 2 η ab
Véase también
Citas
- ↑ Kukin 2016 .
- ↑ Lonigro 2023 .
- ↑ Jost 2002 .
- ↑ Tong 2007 , Estas notas introductorias sobre teoría cuántica de campos son para estudiantes de la Parte III (nivel de maestría).
- ↑ Weinberg 2002 , § 5.5.
- ↑ de Wit & Smith 2012 .
- 1 2 3 Feynman, Richard P. (1949). "Enfoque espaciotemporal de la electrodinámica cuántica" . Physical Review . 76 (6): 769– 789. Bibcode : 1949PhRv...76..769F . doi : 10.1103/PhysRev.76.769 – vía APS.
- ↑ Kaplunovsky 2008 .
- ↑ Itzykson y Zuber 2012 .
- ↑ Kaku 1993 .
- ↑ Hestenes 2015 .
- ↑ Rodrigues y Oliveira 2007 .
Referencias
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- Pauli, W. (1936). "Contribuciones matemáticas a la teoría de las matrices de Dirac" . Anales del Instituto Henri Poincaré . 6 : 109.
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- Rodrigues, Waldyr A.; Oliveira, Edmundo C. de (2007). Las múltiples facetas de las ecuaciones de Maxwell, Dirac y Einstein: Un enfoque basado en el modelo de Clifford . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-71292-3.
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- Zee, A. (2003). Teoría cuántica de campos en pocas palabras . Princeton, NJ: Princeton University Press. Capítulo II.1. ISBN 0-691-01019-6.
Enlaces externos
- Matrices de Dirac en MathWorld, incluyendo sus propiedades de grupo.
- Matrices de Dirac como grupo abstracto en GroupNames
- "Matrices de Dirac" , Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press , 2001 [1994]
- Espinas
- Matrices (matemáticas)
- álgebras de Clifford