Ich bitte nicht um einen Nachweis der Satz. Ich frage, wie die Theorem kann sogar definiert werden.
Als Matrizen in , und sind nur
In der Quantenfeldtheorie verlangen wir, dass unser Hilbert-Raum eine (projektive) Darstellung von trägt , wo ist eine spezielle orthochrone Lorentzgruppe, dh der Teil mit der Identität verbunden. (Mit anderen Worten, wir wollen eine echte Darstellung von .) Wir können definieren, wie lokale Operatoren durch Konjugation umwandeln. Nämlich für alle , wir wollen
Dies ist eine großartige Möglichkeit, Dinge zu tun. Unsere Anforderungen an und körperliche Motivation haben, und es gibt uns eine Aufgabe: Repräsentationen von finden und daraus Quantenfelder definieren.
Was dieser Ansatz auf den ersten Blick nicht bietet, ist die Einbindung oder , geschweige denn . Wir wissen, dass wir nicht einmal nach Gruppenhomomorphismen suchen können Operatoren auf unserem Hilbert-Raum, weil wir das alle wissen muss in der Quantenfeldtheorie nicht wahr sein. Welche physikalisch motivierten mathematischen Voraussetzungen müssen wir aufbringen , , und das sollte sie (in einem geeigneten Sinne) für verschiedene von uns konstruierte Hilbert-Räume "bestimmen". Die Einführung von ist besonders verwirrend, weil wir Teilchenzustände und Antiteilchenzustände vertauschen müssen, aber solche Zustände werden normalerweise durch Wörter definiert (dh dies ist ein Teilchen, dies ist ein Antiteilchen, so funktionieren sie ...). Nachdem Sie die richtigen Anforderungen gestellt haben , , und , sollte man theoretisch nachweisen können Satz, zeigen muss antieinheitlich sein usw. Ich weiß, dass dies eine große Frage ist, daher wären Referenzen, die diese Feinheiten diskutieren, ebenfalls willkommen.
Mathematische Physiker werden Ihnen sagen, dass die Frage, die Sie stellen, keine Antwort hat: Nur CPT als Ganzes hat eine strenge Definition. Das bedeutet, dass praktizierende Physiker, die konkrete Probleme betrachten, es frei definieren können, wie sie wollen! Obwohl ich die mathematischen Feinheiten nicht kenne, möchte ich darlegen, was Teilchenphysiker meiner Meinung nach normalerweise meinen, wenn sie von "einer P / C / T-Transformation" sprechen.
Erinnern Sie sich, dass ein Quantenfeld die generische Modenentwicklung hat
Um diesen Unterschied zu berücksichtigen, nennen wir herkömmlicherweise eine dieser Anregungen „Teilchen“ und die andere „Antiteilchen“. Was natürlich nur eine Frage der Konvention ist; Der Punkt ist, dass hier wirklich unterschieden werden muss. (Die Tatsache, dass es überhaupt zwei verschiedene Arten gibt, liegt daran, dass die Moden eine positive oder negative Frequenz haben können, und das ist eine Folge der Lorentz-Invarianz; in der nichtrelativistischen Feldtheorie müssen Sie nicht zwei Arten von Moden haben. Das meinen die Leute wenn sie sagen, dass die relativistische QFT Antimaterie vorhersagt.)
Grobe und fertige naive Definitionen von Parität, Ladungskonjugation und Zeitumkehr sind:
Diese Anforderungen leiten sich direkt aus dem ab, was wir klassisch erwarten. Sie sind bereits nicht trivial. Zum Beispiel ist es in einer Theorie eines einzelnen Weyl-Spinors unmöglich, ihn zu definieren weil wenn existiert also nicht, weil es die falsche Helizität hätte. Es ist auch unmöglich zu definieren , wieder weil es nichts für gibt zuzuordnen. Ebenso kann man beweisen, dass die elektroschwache Theorie das nicht ist oder symmetrisch, obwohl beide definiert werden können.
Allein anhand dieser Definitionen ist es einfach, alle bekannten Eigenschaften zu zeigen. Mithilfe der Modenerweiterung können Sie beispielsweise zeigen, dass sich das Quantenfeld selbst so transformiert, wie Sie es erwarten würden. Zum Beispiel unter Parität, zugeordnet ist wo ist eine numerische Matrix, die die Feldkomponenten mischen kann. Ich stelle mir also vor, man könnte die diskreten Symmetrien direkt dadurch definieren, wie sie auf Felder wirken, obwohl das wahrscheinlich klobiger wäre.
Die Leute werden oft allgemeinere Definitionen verwenden. Beispielsweise ist die Ladungskonjugation keine Symmetrie der QED, es sei denn, Sie erlauben den Photonenerzeugungs-/-vernichtungsoperatoren, ein zusätzliches Minuszeichen aufzunehmen. Konventionell lassen wir also zu, dass all diese diskreten Symmetrien bis hin zu Phasen definiert werden. Wenn wir dies zulassen, erhalten wir eine Symmetrie, mit der wir arbeiten können, die nicht triviale Informationen liefert, während uns das Festhalten an der strengen Definition nichts bringt.
Als drastischerer Schritt könnte man in links-rechts-symmetrischen Modellen eine Eichgruppe wie haben , und man kann "generalisierte Parität" zum Senden definieren und tauschen Sie diese beiden Messgerätegruppen aus. Das ist eine große Veränderung, aber der Geist ist derselbe: Es ist eine diskrete Symmetrie der Theorie, die wir verwenden können, um die Dynamik einzuschränken, und es hat einige Merkmale mit der Parität gemeinsam, also nennen wir es so. Dies ist nützlich, da es bei diesen Modellen darum geht, die -Term von QCD verschwinden, und diese verallgemeinerte Parität macht den Trick.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass es drei weitere Dinge gibt, die allgemein als Parität, Ladungskonjugation und Zeitumkehrung bezeichnet werden und völlig unterschiedlich sind . Dies sind diskrete Symmetrien klassischer Felder. Für ein klassisches Feld Sie sind heuristisch definiert als
wo , , und sind beliebige numerische Matrizen. Diese Matrizen werden normalerweise ausgewählt, um die Konvention für die Reihenfolge der Feldkomponenten beizubehalten. Zum Beispiel setzen wir in einem Dirac-Spinor oft die linken Chiralitätskomponenten oben, aber nach einer Paritätstransformation sind die rechten Chiralitätskomponenten oben. Die Matrix , welches ist bringt die Komponenten in einigen Konventionen wieder in die übliche Reihenfolge. Ähnlich haben wir in QED aus dem gleichen Grund wie im Quantenfall. Weitere Beispiele finden Sie in der vorhandenen Antwort von Ryan Thorngren.
Diese klassischen diskreten Symmetrien sind in erster Linie nützlich, um Darstellungstheorie auf der Ebene der Lagrangianer zu betreiben, und haben nichts mit dem CPT-Theorem zu tun. Genau wie bei den quantendiskreten Symmetrien kann man die Definitionen erweitern, wenn es zweckmäßig ist.
Eine Warnung: Die klassischen diskreten Symmetrien werden oft mit quantendiskreten Symmetrien identifiziert, weil sie beide auf ein Objekt wirken, das als in ähnlicher Weise. Die Aktionen sind jedoch selten identisch. Ich spreche hier ausführlich über die Fallstricke bei der Ladungskonjugation .
Erschwerend kommt hinzu, dass man auch diskrete Symmetrien für erstquantisierte Wellenfunktionen (auch als ) oder für zweitquantisierte Ein-Teilchen-Wellenfunktionen (auch genannt ), und natürlich sind die Symmetrien in allen vier Fällen etwas anders definiert. Wenn Sie also etwas mit dem Titel „Diskrete Symmetrien intuitiv erklärt!“ finden, gibt es oben einen Brunnen zufällig spricht es überhaupt nicht von den echten Quanten. Vorsichtig sein!
Diese Antwort ist schon unverschämt lang, aber lassen Sie mich ein paar Fragen aus dem OP beantworten.
- Müssen P̂ , Ĉ , T̂ ihre eigenen Inversen sein?
Nein, wegen der oben erwähnten zusätzlichen Phasen; siehe diese Frage . Auch hier kommt es auf die Konvention an. Sie könnten damit eine strengere Konvention treffen immer Quadrate zu eins, aber das ist einfach nicht sinnvoll, weil oft ein modifiziertes das nicht zu einem passt, wird konserviert, und Sie werden darüber reden wollen. Ebenfalls, in nichtrelativistischem QM nicht einmal im Einklang mit eins steht, also sollten Sie es in QFT wirklich nicht erwarten.
- Tritt eine CP-Verletzung auf, wenn eine CP-Transformation auf klassischen Feldern die Lagrange-Funktion ändert? Wenn wir die numerischen Matrizen nach Belieben definieren können, können unterschiedliche Entscheidungen dann zu Unklarheiten darüber führen, ob CP verletzt wird oder nicht?
Wenn wir über CP-Verletzung sprechen, geht es uns normalerweise um Baryogenese. Da das Antiteilchen eines Baryons die entgegengesetzte Baryonenzahl hat, verletzt eine Netto-Baryonenzahl sowohl Quanten-C als auch Quanten-CP. Die gleiche Logik gilt für die Leptogenese mit Leptonzahlen. Wir sprechen hier von Quantenteilchen, wir meinen also Quantensymmetrien. Diese Aussage bleibt wahr, bis angepasst wird, was C und CP bedeuten, solange sie immer noch die Baryonen- / Leptonenzahl umdrehen.
Auch hier werden Symmetrien gewählt, weil sie praktische Werkzeuge sind. Wenn Sie sich weigern, zusätzliche Phasen zuzulassen, dann hat sogar QED allein sowohl eine C- als auch eine CP-Verletzung. Aber das ist keine nützliche Aussage, weil es immer noch wahr ist, unabhängig davon, dass reine QED Ihnen keine Leptogenese geben wird; Die Dynamik einer Theorie hängt nicht davon ab, was wir Symmetrien nennen. Wir entscheiden uns dafür, C und CP so zu definieren, dass sie Symmetrien von QED sind, was es uns erlaubt, diese Tatsache leichter abzuleiten.
- Sicherlich hängen die klassischen Transformationen in irgendeiner Weise mit der QFT zusammen?
Eine klassische Symmetrie der Aktion wird zu einer Quantensymmetrie der Aktion befördert, es sei denn, es gibt Anomalien, also ja. Das Problem ist, dass die Konventionen unterschiedlich sind.
Betrachten wir zum Beispiel die Theorie eines einfach geladenen Weyl-Spinors. Klassisches C dreht einfach seine Chiralität um. Quantum C und Quantum P sind beide überhaupt nicht definiert, aber klassisches C entspricht ungefähr dem, was Quantum CP gewesen wäre.
Glücklicherweise müssen Sie sich darüber keine Gedanken machen, wenn Sie sich nur an Skalare und Vektoren halten; Es sind nur die Spinors, die stören. Beispielsweise wird die CP-Verletzung aus dem Theta-Term normalerweise abgeleitet, indem gezeigt wird, dass sie unter klassischem CP nicht invariant ist, was dem Quanten-CP entspricht.
- Ist ein Pseudoskalar nur ein Skalar mit einer anderen Wahl von Mp? Warum schränkt eine klassische Wahl einer numerischen Matrix zulässige Lagrange-Wechselwirkungsterme ein?
Gleiche Antwort wie die anderen. Sie können definieren wie Sie wollen, aber wenn Sie Zeichen verbieten, erhalten Sie keine Symmetrie. Auch hier ist der Lagrange-Operator eigentlich eingeschränkt , egal was wir tun, aber es ist am einfachsten zu sehen, wenn wir eine Symmetrie mit entsprechenden Minuszeichen für bestimmte Felder definieren, die als Pseudoskalare bezeichnet werden und die wir als Parität bezeichnen. (Insbesondere, wenn ein Lagrangian eine bestimmte Symmetrie hat, werden unter RG-Fluss nur Terme mit dieser Symmetrie generiert. Das bedeutet, dass wir nur Terme aufschreiben sollten, die die Symmetrie berücksichtigen. Aber die RG-Flussberechnung funktioniert genauso, auch wenn wir es nicht wissen die Symmetrien sind da.)
Sie könnten fragen: Würde die Welt angesichts dieser Freiheit bei der Neudefinition wirklich gleich aussehen, wenn wir sie über den Ursprung von innen nach außen reflektieren würden? Welche Parität ist die wahre, physikalische Parität? Da niemand dies jemals wirklich tun kann, ist es eine bedeutungslose Frage.
C, P und T müssen in einer Quantenfeldtheorie nicht alle existieren, und sie sind möglicherweise nicht einmal eindeutig. In einer allgemeinen einheitlichen QFT wird nur CPT garantiert. Im Standardmodell z. und sind keine Symmetrien, aber ihre Zusammensetzung ist.
Betrachten Sie als einfaches Beispiel ein echtes 2-Komponenten-Fermion in 1+1D. Die masselose freie Lagrangedichte für dieses Feld ist
Sie sehen also, dass es viele Symmetrien gibt, die wir CPT nennen können. Das "CPT-Theorem" besagt nur, dass es unabhängig davon, wie wir diese Theorie modifizieren, eine gewisse anti-einheitliche Symmetrie geben wird (manchmal buchstäblich als C mal P mal T realisiert, aber nicht immer).
Valter Moretti
Benutzer1379857
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