Групповая теоретическая причина того, что глюоны несут цветовой заряд и антицветовой заряд

Мне было интересно, как это можно увидеть из С U ( 3 ) Калибровочная теория утверждает, что глюоны несут заряды двух цветов: г б ¯ и т. д.

Немного фона:

W-бозоны (до нарушения симметрии) образуют С U ( 2 ) триплет и несут соответствующий слабый изоспин 1 , 0 1 . После SSB/Higgs заряженный Вт ± -Бозоны могут быть отождествлены со сложными линейными комбинациями Вт 1 , 2 , бозоны, поэтому соответствующий член в лагранжиане равен U ( 1 ) инвариант, т.е. Вт ± тоже несут электрический заряд.

Для местного С U ( 3 ) Калибровочная теория 8 калибровочных полей, нужны глюонные поля. Точно так же, как это было для С U ( 2 ) , по одному на каждый генератор λ а и, следовательно, вводятся «матричные калибровочные поля»

А мю "=" А а мю λ а

которые можно рассматривать как элементы соответствующей алгебры Ли, поскольку λ а составляют основу, и приведенное выше выражение можно рассматривать как расширение А мю с точки зрения этого основания.

Поведение преобразования одинаково для всех С U ( Н ) теории

А мю U А мю U + я г ( мю U ) U 1

Как обычно, фермионы преобразуются в соответствии с фундаментальным представлением, т.е. С U ( 3 ) располагаются тройками. Каждая строка представляет собой другой цвет, как объяснено в ответе здесь ( Что такое цветовой заряд?, который цитируется Гриффитом)

Поэтому красный фермион, например,

с р е д "=" ( ф 0 0 )

где ф является обычным спинором Дирака. Антикрасный фермион был бы

с р е д "=" ( ф ¯ 0 0 )

Красный фермион преобразуется в соответствии с фундаментальным представлением Ф , антикрасный фермион согласно сопряженной репрезентации Ф . В чем отличие от С U ( 2 ) , потому что С U ( 2 ) имеет только вещественные представления и, следовательно, нормальное и антипредставление эквивалентны (почему достаточно, что они эквивалентны? Сопряженное представление для С U ( 2 ) отличается, но считается эквивалентным, потому что р "=" U р ¯ U 1 , для некоторой унитарной матрицы U . Любые мысли по этому поводу тоже были бы замечательными), т.е. нет антиизоспина. Я предполагаю, что это причина Вт не нести антизаряд, просто потому что нет анти заряда для С U ( 2 ) .

Теперь, в чем смысл того, что мы можем видеть, что глюоны несут антицветовой заряд и цветовой заряд? Не потому ли, что матричные глюонные поля, определенные выше, являются частью алгебры Ли и, следовательно, преобразуются в соответствии с присоединенным представлением группы А г А г , что можно рассматривать как трансформацию согласно репутации и антирепутации одновременно (или можно рассматривать как совершенно бессмысленную идею с моей стороны ;)) ?

Почему глюону не присваивается заряд, как С U ( 2 ) триплет, что означало бы, что глюоны несут разные значения одного сильного заряда? (Аналогично 1 , 0 1 для слабого изоспина Вт триплет.)

Любые мысли или идеи были бы потрясающими!

Это заряд-антизаряд, потому что глюон находится в присоединенном представлении неабелевой группы — вот почему существуют ненулевые заряды. Репутация прил не тривиальна (синглеты), поэтому трансформируется под себя. Adj rep представляет собой «матрицу», а элементы матрицы задаются с помощью я Дж , строка и столбец. Матрица U я Дж умножается на вектор в я с правой стороны, так что если в я является кварком, Дж в U заключает контракты с т.е. уничтожает Дж -го цветного кварка, т.е. несет заряд Дж -й антикварк, но U я Дж создает я вместо этого заряд -го кварка.
Спасибо за быстрый ответ! не понимаю разницы с С U ( 2 ) случай. Вт мю "=" Вт а мю о а поскольку матричные поля также преобразуются в соответствии с присоединенной репрезентацией. Не приведет ли та же мысль к выводу, что, например, W-бозоны несут два заряда? + 1 и 1 или так. Как было сказано выше, разница с С U ( 3 ) заключается в том, что сопряженное представление действительно отличается для С U ( 3 ) , поэтому антицвет существует. Тем не менее, я не понимаю, как это приводит к тому, что всего один заряд несет Вт и два глюонами.
Дорогой Джейкоб, нет никакой реальной разницы между С U ( 2 ) и С U ( 3 ) . Вы пишете элементы С U ( 2 ) алгебра как «вектор», комбинация матриц Паули, но этот «вектор» на самом деле является составным, а не самым маленьким представлением. Самое маленькое представительство С U ( 2 ) является двухкомпонентным спинором («истинным вектором» С U ( 2 ) ), а 3-мерное представление строится из двух копий 2-компонентных спиноров так же, как 8-мерное сопряженное С U ( 3 ) строится из трехмерного фундаментального респ.
Возьмите поляризацию Дж г принадлежащий С U ( 2 ) "=" С О ( 3 ) генераторы. Трехкомпонентный вектор имеет собственные значения 1 , 0 , + 1 - это для комбинаций л Икс ± я л у и л г (последний является нулем) соответственно. Но наименьшее нетривиальное представление имеет Дж г "=" ± 1 / 2 (этот двухцветный «кварк» в данном случае эквивалентен своему комплексно-сопряженному). Итак, вам нужно объединить два из них, чтобы получить Дж г "=" ± 1 , поэтому W-бозоны и Z-бозоны также несут заряды, которые могут быть получены из дублетов (например, электрон+нейтрино).
Я думал, что понял, но потом заметил, что все может быть немного сложнее: у нас есть (левосторонние) фермионы, как С U ( 2 ) дублеты Ψ л , преобразуя по фундаментальному представлению: е я а я ( Икс ) о я / 2 Ψ л Объекты в этом дублете несут заряд = изоспин. я "=" 1 2 . И я 3 , генератор Картана, можно использовать для обозначения их: ± 1 2 и мы можем говорить об изоспине ± 1 2 для электрона и электрон-нейтрино и т.д..
Кроме того, каждый кварк С U ( 3 ) триплет Вопрос , и преобразуя по фундаментальному представлению е я а А ( Икс ) λ А / 2 Вопрос . Для С U ( 3 ) есть два диагональных (Картановских) образующих, собственные векторы которых можно использовать в качестве основы для соответствующего векторного пространства (на котором группа действует в фундаментальном представлении), а собственные значения - для обозначения полей (здесь кварков). К сожалению, я не знаю, как идти дальше.
Какова связь между этими собственными значениями генератора Картана и обычно используемыми цветовыми метками? Как именно мы назначаем заряд полям датчика? Как Вт кварки получают изоспин 1 , 0 , 1 ? Они находятся в присоединенном представлении, поэтому матрицы 2x2. Точно так же глюоны являются матрицами 3x3. В моем понимании объекты, трансформирующиеся при фундаментальном представлении, помечаются собственными значениями генератора Картана. Правильно ли это, и если да, то как это делается для смежных объектов rep?
Дорогой Джейкоб, я думаю, что это основные вопросы теории групп и теории групп в физике. Вы найдете их на первых страницах каждого вводного текста по этим вопросам. Возьмем, например, Говарда Джорджи, алгебры Ли в физике элементарных частиц или что-нибудь попроще. На самом деле не имеет смысла отвечать на ваши вопросы, потому что вы фактически спрашиваете обо всех основах теории групп, а для ответа нужно было бы фактически воспроизвести целый учебник по этим вопросам, потому что вы, кажется, начинаете с нуля.
Дорогой Любош, спасибо за совет по чтению. Сегодня я прочитал страницы, связанные с SU (3), в книге Георгиса, но не смог найти ответ на свой вопрос. Тем не менее, я смог дать «полуудовлетворительный» ответ на свой вопрос (см. ниже). Несмотря на мои ржавые знания теории групп, я был бы признателен за технически правильный ответ или совет по чтению, где заряды глюонов выводятся явно с использованием теории групп.

Ответы (1)

Прочитав соответствующие главы в нескольких книгах, я думаю, что теперь я могу дать «полуудовлетворительный» ответ на свой вопрос (и понять первый комментарий Любоша ;)).

Я пишу полуудовлетворительно, потому что надеюсь, что кто-то с более глубоким пониманием этих тем даст лучший ответ. Мое объяснение все еще немного эвристично, и я хотел бы увидеть более математическое объяснение этого любопытного факта природы.

Этот ответ довольно длинный, но выяснение этих вещей заняло у меня довольно много времени, потому что я не смог найти надлежащего рассмотрения этой темы. Я почти уверен, что такое лечение где-то существует, но после примерно 20 книг в библиотеке моего университета я просто сдался.

Тем не менее, возможно, это поможет кому-то с подобными проблемами.

Что касается Изоспина. С U ( 2 ) , мы помечаем поля, используя собственные значения образующих Картана, которые являются диагональными образующими группы. Для С U ( 2 ) есть только один, я 3 "=" о 3 2 , с собственными значениями ± 1 2 . Собственные векторы образуют основу векторного пространства фундаментального представления, и, следовательно, мы можем записать фермионные поля (преобразующиеся в соответствии с фундаментальным представлением), используя этот базис и присвоив им заряды, соответствующие собственным значениям. Поэтому у нас есть ( в е е ) и умеют приписывать нейтринное поле ( в е 0 ) "=" ( 1 0 ) в е , где в е является обычным спинорным зарядом изоспина 1 2 , потому что

я 3 ( 1 0 ) в е "=" о 3 2 ( 1 0 ) в е "=" 1 2 ( 1 0 ) в е

В равной степени 1 2 , для электронного поля ( 0 1 ) е

Для С U ( 3 ) все немного сложнее, потому что у нас есть два картерных генератора 1 2 λ 3 и 1 2 λ 8 (С обычными матрицами Гелл-Манна λ я ). Следовательно, каждое поле помечено двумя числами.

Собственные значения 1 2 λ 3 "=" 1 2 ( 1 0 0 0 1 0 0 0 0 ) являются ± 1 2 , 0 .

Для λ 8 "=" 1 2 3 ( 1 0 0 0 1 0 0 0 2 ) собственные значения 1 2 3 , 1 2 3 , 1 3

Поэтому, если мы организуем сильно взаимодействующие фермионы в триплеты в соответствии с базисом, натянутым на собственные векторы образующих Картана, мы можем присвоить им следующие метки:

( 1 2 , 1 2 3 )   ф о р   ( 1 0 0 ) ф

где обычно определяют красный "=" ( 1 2 , 1 2 3 )

Аналог

( 1 2 , 1 2 3 )   ф о р   ( 0 1 0 ) ф

поэтому синий "=" ( 1 2 , 1 2 3 ) и такой же зеленый "=" ( 0 , 1 3 ) . Идея цвета исходит из того факта, что если мы добавим три цвета, т.е.

( 1 1 1 ) ф
, мы получаем состояние с нулевым зарядом (бесцветное состояние), так как

λ 3 ( 1 1 1 ) "=" 0
и
λ 8 ( 1 1 1 ) "=" 0

который аналогичен солнечному свету, который содержит все цвета света, но, тем не менее, бесцветен.

В отличие от С U ( 2 ) , для С U ( 3 ) представления нереальны (сопряженное представление не эквивалентно обычному представлению), и поэтому мы можем говорить об антизаряде, здесь антицвете. Соответствующие состояния, например

( 1 0 0 ) ф
для антикрасного, с собственным значением антикрасного "=" ( 1 2 , 1 2 3 ) . Где знак минус возникает из-за комплексного сопряжения образующих и может немного сбивать с толку, потому что физики и математики по-разному определяют генераторы. Тем не менее нельзя забывать, что существует я в показателе степени, который физики выносят за скобки, чтобы работать с эрмитовыми генераторами (чтобы получить действительные собственные значения, потому что генераторы отождествляются с зарядами Нётер).

Теперь глюоны. Глюоны являются калибровочными бозонами С U ( 3 ) и ковариантная производная читается

Д мю "=" мю я г А мю
, с А мю "=" А мю а λ а 2 . Таким образом, глюоны представляют собой матрицы, записанные в терминах образующих, что необходимо для того, чтобы сделать лагранжиан локальным С U ( 3 ) инвариант. Следовательно, глюоны преобразуются по присоединенному представлению. (Присоединенное представление - это представление группы на ее собственном касательном пространстве в единице = алгебре Ли. А мю "=" А мю а λ а 2 является разложением по базе алгебры Ли = генераторы.)

Что произойдет, если глюонное поле подействует на кварковое поле? Например, пусть первое глюонное поле действует на красный кварк,

А мю 1 λ 1 2 ( 1 0 0 ) д "=" А мю 1 1 2 ( 0 1 0 1 0 0 0 0 0 ) ( 1 0 0 ) д "=" А мю 1 1 2 ( 0 1 0 ) д

Таким образом, глюонное поле превратило красный кварк в синий кварк. Из теоремы Нётер мы знаем, что цвет сохраняется, и можем заключить, что первый глюон А мю 1 λ 1 2 должен нести цветовой заряд анти-красный|синий

Просто поправка. 2-мерное представление С U ( 2 ) не реально. Вам нужны комплексные числа, но они эквивалентны их комплексно-сопряженным — мы говорим, что они псевдодействительны или кватернионны.