固定された多様体上で運動するように制限された点粒子の場の理論
物理学 において 、 シグマモデルは、 場を固定された多様体上を動くように制限された 点粒子として記述する 場の理論 である。この多様体は任意の リーマン多様体 とすることができる が、最も一般的には リー群 または 対称空間 のいずれかとされる。このモデルは量子化される場合とされない場合がある。非量子化バージョンの例としては、 スカイミオンモデル がある。これは、4 より大きいべきの非線形性のため量子化できない。一般に、シグマモデルは、スカイミオンモデル などの (古典的な) 位相ソリトン解を 許容 する 。シグマ場がゲージ場に結合されている場合、結果として得られるモデルは ギンツブルグ-ランダウ理論によって記述される。この記事は、主にシグマモデルの 古典的な場の理論 に焦点を当てており、対応する量子化理論は「 非線形シグマモデル 」というタイトルの記事で紹介されている 。
概要
この名前は粒子物理学に由来しており、シグマモデルはパイオン の相互作用を記述します 。残念ながら、「シグマ中間子」はシグマモデルでは記述されず、その構成要素としてのみ記述されます。 [1]
シグマ模型はGell-Mann & Lévy (1960, section 5)によって導入された。σ 模型という名前は、彼らの模型において、 ジュリアン・シュウィンガー によって以前に導入された スカラー中間子である σ と呼ばれるスピンレス中間子に対応する場から来ている 。 [2]この模型は、O(4)からO(3)への 自発的対称性の破れ の主要なプロトタイプとして機能した。破れた3つの軸生成子は カイラル 対称性の破れ の最も単純な現れであり 、生き残った破れていないO(3)は アイソスピン を表す。
従来の 素粒子物理学の 設定では、場は一般に SU(N) 、つまり左カイラル場と右カイラル場の 積の商のベクトル部分空間とみなされます。 凝縮物質理論では、場は O(N) とみなされます 。 回転群 O(3)の場合、シグマモデルは 等方性 強磁性体を記述します。より一般的には、O(N)モデルは 量子ホール効果 、 超流動 ヘリウム3 、 スピン鎖 に現れます 。
(
S
あなた
(
いいえ
)
ら
×
S
あなた
(
いいえ
)
R
)
/
S
あなた
(
いいえ
)
{\displaystyle (SU(N)_{L}\times SU(N)_{R})/SU(N)}
超重力 モデルでは 、場は 対称空間であるとみなされます。対称空間は 反転 によって定義されるため、その接空間は自然に偶数パリティ部分空間と奇数パリティ部分空間に分割されます。この分割は、 カルツァ=クライン 理論
の 次元削減を 推進するのに役立ちます。
最も基本的な形式では、シグマ モデルは純粋に点粒子の 運動エネルギー として捉えることができます。フィールドとしては、これは ユークリッド空間における
ディリクレ エネルギーにすぎません。
2つの空間次元では、O(3)モデルは 完全に積分可能 です。
意味
シグマモデルのラグランジアン 密度は 、さまざまな方法で記述することができ、それぞれが特定のタイプのアプリケーションに適しています。最も単純で最も一般的な定義は、ラグランジアンを リーマン多様体 上の計量テンソルの引き戻しの計量トレースとして記述することです。 時空 上の フィールド の 場合、これは次のように記述できます。
ϕ
:
ま
→
Φ
{\displaystyle \phi :M\to \Phi }
ま
{\displaystyle M}
ら
=
1
2
∑
私
=
1
ん
∑
じゅう
=
1
ん
グ
私
じゅう
(
ϕ
)
∂
μ
ϕ
私
∂
μ
ϕ
じゅう
{\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}\sum _{i=1}^{n}\sum _{j=1}^{n}g_{ij}( \phi )\;\partial ^{\mu }\phi _{i}\partial _{\mu }\phi _{j}}
ここで、 は 場の空間 上の 計量テンソル であり 、 は基礎となる 時空多様体 上の微分です 。
グ
私
じゅう
(
ϕ
)
{\displaystyle g_{ij}(\phi )}
ϕ
∈
Φ
{\displaystyle \phi \in \Phi }
∂
μ
{\displaystyle \partial _{\mu}}
この表現を少し展開することができます。体空間は、任意の リーマン多様 体 に選択できます 。歴史的には、これはシグマモデルの「シグマ」です。歴史的に適切な記号は、幾何学における の他の多くの一般的な用法との衝突を避けるためにここでは避けられています 。リーマン多様体は常に計量テンソル を伴います 。 のチャートのアトラスが与えられれば 、 体 空間は常に に 局所的に自明化 できます。つまり、 アトラスで与えられた、そのパッチ上の 明示的なローカル座標を与えるマップを書くことができます 。そのパッチ上の計量テンソルは、成分を持つ行列です。
Φ
{\displaystyle \Phi}
σ
{\displaystyle \sigma}
σ
{\displaystyle \sigma}
グ
{\displaystyle g}
Φ
{\displaystyle \Phi}
あなた
⊂
Φ
{\displaystyle U\subset \Phi }
あなた
→
R
ん
{\displaystyle U\to \mathbb {R} ^{n}}
ϕ
=
(
ϕ
1
、
⋯
、
ϕ
ん
)
{\displaystyle \phi =(\phi ^{1},\cdots ,\phi ^{n})}
グ
私
じゅう
(
ϕ
)
。
{\displaystyle g_{ij}(\phi ).}
基本多様体は 微分可能多様体 でなければなりません 。慣例により、それは 素粒子物理学の 応用では ミンコフスキー空間、 凝縮物質の 応用では 平坦な 2 次元 ユークリッド空間 、または 弦理論 の 世界 面である リーマン面 のいずれかです。 は 、 基本時空多様体 上の 単なる昔ながらの 共変 微分です。 が平坦な場合、 は スカラー関数の通常の 勾配 です( 自身 の観点からは、スカラー場 も同様です )。より正確な言葉で言えば、 は の ジェットバンドル の セクション です 。
ま
{\displaystyle M}
∂
μ
ϕ
=
∂
ϕ
/
∂
x
μ
{\displaystyle \partial _{\mu }\phi =\partial \phi /\partial x^{\mu }}
ま
。
{\displaystyle M.}
ま
{\displaystyle M}
∂
μ
ϕ
=
∇
ϕ
{\displaystyle \partial _{\mu }\phi =\nabla \phi }
ϕ
{\displaystyle \phi }
M
{\displaystyle M}
∂
μ
ϕ
{\displaystyle \partial _{\mu }\phi }
M
×
Φ
{\displaystyle M\times \Phi }
例: O(N) 非線形シグマモデル
クロネッカー のデルタ 、 つまり ユークリッド空間における スカラー 内積 を とると、 非線形シグマモデルが得られる。つまり、 を の 単位ベクトル と書き、 通常のユークリッド内積 で となる。すると - 球面 となり 、その等 長変換は 回転群 となる 。するとラグランジアンは次のように書ける。
g
i
j
=
δ
i
j
{\displaystyle g_{ij}=\delta _{ij}}
O
(
n
)
{\displaystyle O(n)}
ϕ
=
u
^
{\displaystyle \phi ={\hat {u}}}
R
n
{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}
u
^
⋅
u
^
=
1
{\displaystyle {\hat {u}}\cdot {\hat {u}}=1}
⋅
{\displaystyle \cdot }
u
^
∈
S
n
−
1
{\displaystyle {\hat {u}}\in S^{n-1}}
(
n
−
1
)
{\displaystyle (n-1)}
O
(
n
)
{\displaystyle O(n)}
L
=
1
2
∇
μ
u
^
⋅
∇
μ
u
^
{\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}\nabla _{\mu }{\hat {u}}\cdot \nabla _{\mu }{\hat {u}}}
の場合 、これは 格子上の 等方性 強磁性体、すなわち 古典的なハイゼンベルグ模型 の 連続体極限 です。 の場合、これは 古典的なXY模型 の連続体極限です 。 格子模型 相当物については、 nベクトル模型 と ポッツ模型 も参照してください 。連続体極限は次のように表されます。
n
=
3
{\displaystyle n=3}
n
=
2
{\displaystyle n=2}
δ
h
[
u
^
]
(
i
,
j
)
=
u
^
i
−
u
^
j
h
{\displaystyle \delta _{h}[{\hat {u}}](i,j)={\frac {{\hat {u}}_{i}-{\hat {u}}_{j}}{h}}}
隣接する格子位置の 有限差分 として、 次に 限界 、 定数項 (「バルク磁化」) を削除した後で。
i
,
j
.
{\displaystyle i,j.}
δ
h
[
u
^
]
→
∂
μ
u
^
{\displaystyle \delta _{h}[{\hat {u}}]\to \partial _{\mu }{\hat {u}}}
h
→
0
{\displaystyle h\to 0}
u
^
i
⋅
u
^
j
→
∂
μ
u
^
⋅
∂
μ
u
^
{\displaystyle {\hat {u}}_{i}\cdot {\hat {u}}_{j}\to \partial _{\mu }{\hat {u}}\cdot \partial _{\mu }{\hat {u}}}
u
^
i
⋅
u
^
i
=
1
{\displaystyle {\hat {u}}_{i}\cdot {\hat {u}}_{i}=1}
幾何学的記法では
シグマモデルは、より完全な幾何学的表記法で、 微分可能多様体 上の ファイバーを持つ ファイバーバンドルとして記述することもできます。 断面 が与えられた場合、点を固定します。 における プッシュフォワード は 、接バンドルのマップです
。
Φ
{\displaystyle \Phi }
M
{\displaystyle M}
ϕ
:
M
→
Φ
{\displaystyle \phi :M\to \Phi }
x
∈
M
.
{\displaystyle x\in M.}
x
{\displaystyle x}
d
x
ϕ
:
T
x
M
→
T
ϕ
(
x
)
Φ
{\displaystyle \mathrm {d} _{x}\phi :T_{x}M\to T_{\phi (x)}\Phi \quad }
取る
∂
μ
↦
∂
ϕ
i
∂
x
μ
∂
i
{\displaystyle \quad \partial _{\mu }\mapsto {\frac {\partial \phi ^{i}}{\partial x^{\mu }}}\partial _{i}}
ここで、は 上の正規直交 ベクトル空間基底 、 は 上のベクトル空間基底 とされる 。 は 微分形式 である 。シグマモデルの 作用は 、ベクトル値 k 形式
上の 従来の内積 にすぎない。
∂
μ
=
∂
/
∂
x
μ
{\displaystyle \partial _{\mu }=\partial /\partial x^{\mu }}
T
M
{\displaystyle TM}
∂
i
=
∂
/
∂
q
i
{\displaystyle \partial _{i}=\partial /\partial q^{i}}
T
Φ
{\displaystyle T\Phi }
d
ϕ
{\displaystyle \mathrm {d} \phi }
S
=
1
2
∫
M
d
ϕ
∧
∗
d
ϕ
{\displaystyle {\mathcal {S}}={\frac {1}{2}}\int _{M}\mathrm {d} \phi \wedge {*\mathrm {d} \phi }}
ここで は ウェッジ 積 、 は ホッジスター です 。これは2つの異なる方法で内積です。最初の方法では、 内の任意の2 つ の微分可能形式が与えられた場合 、ホッジ双対は微分形式の空間上の不変内積を定義します。これは通常次のように記述されます。
∧
{\displaystyle \wedge }
∗
{\displaystyle *}
α
,
β
{\displaystyle \alpha ,\beta }
M
{\displaystyle M}
⟨
⟨
α
,
β
⟩
⟩
=
∫
M
α
∧
∗
β
{\displaystyle \langle \!\langle \alpha ,\beta \rangle \!\rangle \ =\ \int _{M}\alpha \wedge {*\beta }}
上記は、慣例的にソボレフ空間 とみなされる二乗可積分形式の空間上の内積である。 このようにして、
L
2
.
{\displaystyle L^{2}.}
S
=
1
2
⟨
⟨
d
ϕ
,
d
ϕ
⟩
⟩
{\displaystyle {\mathcal {S}}={\frac {1}{2}}\langle \!\langle \mathrm {d} \phi ,\mathrm {d} \phi \rangle \!\rangle }
これにより、シグマモデルが点粒子の運動エネルギー にすぎないことが明確かつ明白になります 。多様体の観点からは 、場は スカラーであり、したがってスカラー関数の 通常の 勾配として認識できます。ホッジスターは、曲がった時空で積分するときに 体積形式 を追跡するための単なる巧妙な装置です 。が平坦な場合は 完全に無視できるため、作用は次のようになります。
M
{\displaystyle M}
ϕ
{\displaystyle \phi }
d
ϕ
{\displaystyle \mathrm {d} \phi }
M
{\displaystyle M}
S
=
1
2
∫
M
‖
∇
ϕ
‖
2
d
m
x
{\displaystyle {\mathcal {S}}={\frac {1}{2}}\int _{M}\Vert \nabla \phi \Vert ^{2}d^{m}x}
これは の ディリクレエネルギー です。作用の古典的な極値( ラグランジュ方程式 の解)は、 のディリクレエネルギーを最小化する場の構成です 。この表現をよりわかりやすい形式に変換する別の方法は、スカラー関数に対して となり 、したがって次のように書くこともできること
を観察することです。
ϕ
{\displaystyle \phi }
ϕ
{\displaystyle \phi }
f
:
M
→
R
{\displaystyle f:M\to \mathbb {R} }
d
∗
f
=
0
{\displaystyle \mathrm {d} *f=0}
S
=
1
2
⟨
⟨
ϕ
,
Δ
ϕ
⟩
⟩
{\displaystyle {\mathcal {S}}={\frac {1}{2}}\langle \!\langle \phi ,\Delta \phi \rangle \!\rangle }
ここで は ラプラス・ベルトラミ演算子 、 つまり が平坦な場合の 通常の ラプラス演算子 です 。
Δ
{\displaystyle \Delta }
M
{\displaystyle M}
もう一つの 2番目の内積が存在するということは、それ自体 の観点からは がベクトルである ことを忘れないことだけが必要である 。つまり、任意の 2つのベクトル が 与えられた場合、リーマン計量は 内積を定義する。
d
ϕ
{\displaystyle \mathrm {d} \phi }
Φ
{\displaystyle \Phi }
v
,
w
∈
T
Φ
{\displaystyle v,w\in T\Phi }
g
i
j
{\displaystyle g_{ij}}
⟨
v
,
w
⟩
=
g
i
j
v
i
w
j
{\displaystyle \langle v,w\rangle =g_{ij}v^{i}w^{j}}
は局所チャート上でベクトル値をとる ので 、そこでも内積をとる。より冗長に言えば、
d
ϕ
{\displaystyle \mathrm {d} \phi }
d
ϕ
=
(
d
ϕ
1
,
⋯
,
d
ϕ
n
)
{\displaystyle \mathrm {d} \phi =(\mathrm {d} \phi ^{1},\cdots ,\mathrm {d} \phi ^{n})}
S
=
1
2
∫
M
g
i
j
(
ϕ
)
d
ϕ
i
∧
∗
d
ϕ
j
{\displaystyle {\mathcal {S}}={\frac {1}{2}}\int _{M}g_{ij}(\phi )\;\mathrm {d} \phi ^{i}\wedge {*\mathrm {d} \phi ^{j}}}
これら2つの内積間の緊張関係は、次のことに注意することでさらに明確になります。
B
μ
ν
(
ϕ
)
=
g
i
j
∂
μ
ϕ
i
∂
ν
ϕ
j
{\displaystyle B_{\mu \nu }(\phi )=g_{ij}\partial _{\mu }\phi ^{i}\partial _{\nu }\phi ^{j}}
は双線型形式 であり、 リーマン計量の 引き戻し である 。個体は 四分円 としてとることができる 。シグマ模型のラグランジアン密度は
g
i
j
{\displaystyle g_{ij}}
∂
μ
ϕ
i
{\displaystyle \partial _{\mu }\phi ^{i}}
L
=
1
2
g
μ
ν
B
μ
ν
{\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}g^{\mu \nu }B_{\mu \nu }}
上のメトリック については、 この接着を考慮すると、は はんだ形式 として解釈できます 。これは、以下でより詳しく説明します。
g
μ
ν
{\displaystyle g_{\mu \nu }}
M
.
{\displaystyle M.}
d
ϕ
{\displaystyle \mathrm {d} \phi }
動機と基本的な解釈
古典的(非量子化)シグマモデルについては、解釈上および基礎的なコメントがいくつかあります。最初のコメントは、古典的シグマモデルは相互作用しない量子力学のモデルとして解釈できるということです。2 番目は、エネルギーの解釈に関するものです。
量子力学としての解釈
これは次の表現から直接導かれる。
S
=
1
2
⟨
⟨
ϕ
,
Δ
ϕ
⟩
⟩
{\displaystyle {\mathcal {S}}={\frac {1}{2}}\langle \!\langle \phi ,\Delta \phi \rangle \!\rangle }
上に示した。 をとると 、関数は 波動関数 と解釈でき 、そのラプラシアンはその波動関数の運動エネルギーである。 は、 空間全体で積分することを思い出させる幾何学的な仕組みにすぎない。対応する量子力学的表記は である。 平坦な空間では、ラプラシアンは慣例的に と表記される 。これらすべての部分をまとめると、シグマモデルの作用は と同等である。
Φ
=
C
{\displaystyle \Phi =\mathbb {C} }
ϕ
:
M
→
C
{\displaystyle \phi :M\to \mathbb {C} }
⟨
⟨
⋅
,
⋅
⟩
⟩
{\displaystyle \langle \!\langle \cdot ,\cdot \rangle \!\rangle }
ϕ
=
|
ψ
⟩
.
{\displaystyle \phi =|\psi \rangle .}
Δ
=
∇
2
{\displaystyle \Delta =\nabla ^{2}}
S
=
1
2
∫
M
⟨
ψ
|
∇
2
|
ψ
⟩
d
x
m
=
1
2
∫
M
ψ
†
(
x
)
∇
2
ψ
(
x
)
d
x
m
{\displaystyle {\mathcal {S}}={\frac {1}{2}}\int _{M}\langle \psi |\nabla ^{2}|\psi \rangle dx^{m}={\frac {1}{2}}\int _{M}\psi ^{\dagger }(x)\nabla ^{2}\psi (x)dx^{m}}
これは、係数 までの 波動関数 の総運動エネルギーに過ぎません 。結論として、 上の古典的なシグマモデルは、 相互作用しない自由量子粒子の量子力学として解釈できます。明らかに、 ラグランジアン に の項を追加すると、ポテンシャル内の波動関数の量子力学が得られます。 を取るだけでは、粒子系 を記述するのに十分ではありません。 粒子 には、基本多様体によって提供されない個別の座標が必要です。これは、 基本多様体のコピーを
取ることで解決できます。
ψ
(
x
)
{\displaystyle \psi (x)}
ℏ
/
m
{\displaystyle \hbar /m}
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
V
(
ϕ
)
{\displaystyle V(\phi )}
Φ
=
C
n
{\displaystyle \Phi =\mathbb {C} ^{n}}
n
{\displaystyle n}
n
{\displaystyle n}
n
{\displaystyle n}
n
{\displaystyle n}
リーマン多様体の 測地線構造が ハミルトン・ヤコビ方程式 で記述されることはよく知られている 。 [3] 簡単に説明すると、その構成は以下のとおりである。と は どちらも リーマン多様体である。以下は について書かれているが 、 についても同じことが言える 。 座標チャート で与えられる 余接束 は常に 局所的に と自明化 できる 。 つまり、
M
{\displaystyle M}
Φ
{\displaystyle \Phi }
Φ
{\displaystyle \Phi }
M
{\displaystyle M}
T
∗
Φ
{\displaystyle T^{*}\Phi }
T
∗
Φ
|
U
≅
U
×
R
n
{\displaystyle \left.T^{*}\Phi \right|_{U}\cong U\times \mathbb {R} ^{n}}
自明化により、 余接バンドル上の 標準座標 が与えられる。上の 計量テンソルが 与えられたとき、ハミルトン関数を定義する。
(
q
1
,
⋯
,
q
n
,
p
1
,
⋯
,
p
n
)
{\displaystyle (q^{1},\cdots ,q^{n},p_{1},\cdots ,p_{n})}
g
i
j
{\displaystyle g_{ij}}
Φ
{\displaystyle \Phi }
H
(
q
,
p
)
=
1
2
g
i
j
(
q
)
p
i
p
j
{\displaystyle H(q,p)={\frac {1}{2}}g^{ij}(q)p_{i}p_{j}}
ここで、いつものように、この定義では計量の逆数が使用されていることに注意する必要がある。 有名なことに、 測地線フロー は ハミルトン・ヤコビ方程式 によって与えられる。
g
i
j
g
j
k
=
δ
k
i
.
{\displaystyle g^{ij}g_{jk}=\delta _{k}^{i}.}
Φ
{\displaystyle \Phi }
q
˙
i
=
∂
H
∂
p
i
{\displaystyle {\dot {q}}^{i}={\frac {\partial H}{\partial p_{i}}}\quad }
そして
p
˙
i
=
−
∂
H
∂
q
i
{\displaystyle \quad {\dot {p}}_{i}=-{\frac {\partial H}{\partial q^{i}}}}
測地線フローは ハミルトンフロー です。上記の解は多様体の測地線です。ちなみに、 測地線に沿って、時間パラメータ は測地線に沿った距離であることに注意してください。
d
H
/
d
t
=
0
{\displaystyle dH/dt=0}
t
{\displaystyle t}
シグマ模型は、2 つの多様体とにおける運動量を取り 、 それらをはんだ付けします。つまり、 はんだ形式 です 。この意味で、シグマ模型を エネルギー関数として解釈することは驚くべきことではありません。これは、実際には 2 つ のエネルギー関数を貼り合わせたものです 。注意: はんだ形式の正確な定義では、同型である必要があります。これは、 と が 同じ実数次元を持つ場合にのみ発生します。さらに、はんだ形式の従来の定義では、 は リー群になります。両方の条件は、さまざまなアプリケーションで満たされます。
T
∗
Φ
{\displaystyle T^{*}\Phi }
T
∗
M
{\displaystyle T^{*}M}
d
ϕ
{\displaystyle \mathrm {d} \phi }
M
{\displaystyle M}
Φ
{\displaystyle \Phi }
Φ
{\displaystyle \Phi }
さまざまなスペースでの結果
空間は 、従来の素粒子物理学モデルでは リー群 (通常は SU(N)) 、凝縮物質理論では O(N) 、 超重力 モデルでは 対称空間 として扱われることが多い。対称空間は 反転 によって定義されるため 、その接空間(つまり、生命が存在する場所)は自然に偶数パリティ部分空間と奇数パリティ部分空間に分割される。この分割は、 カルツァ=クライン 理論の 次元削減を 推進するのに役立つ 。
Φ
{\displaystyle \Phi }
d
ϕ
{\displaystyle \mathrm {d} \phi }
リー群について
リー群 という 特殊なケースでは 、 はリー群 上の 計量テンソル で 、正式にはカルタンテンソルまたは キリング形式と呼ばれます。ラグランジアン は、キリング形式の引き戻しとして表すことができます。キリング形式は、対応する リー代数 からの 2 つの行列上のトレースとして表すことができることに注意してください。したがって、ラグランジアン は、トレースを含む形式で表すこともできます。少し整理すると、 マウラー・カルタン形式 の引き戻しとして表すこともできます 。
Φ
{\displaystyle \Phi }
g
i
j
{\displaystyle g_{ij}}
対称空間について
シグマモデルの一般的なバリエーションは、 対称空間 上に提示することです。典型的な例は 、積をとる
カイラルモデルです。
G
=
S
U
(
N
)
×
S
U
(
N
)
{\displaystyle G=SU(N)\times SU(N)}
「左」と「右」のカイラル場のシグマモデルを構築し、「対角線」上にシグマモデルを構築します。
Φ
=
S
U
(
N
)
×
S
U
(
N
)
S
U
(
N
)
{\displaystyle \Phi ={\frac {SU(N)\times SU(N)}{SU(N)}}}
このような商空間は対称空間なので、一般に を取ることができます。ここでは、 カルタン反転 に対して不変である の 最大部分群です 。ラグランジアンも、 上 の計量から 上の計量への引き戻し 、またはマウラー・カルタン形式の引き戻し
のいずれかの方法で、上記とまったく同じように記述されます。
Φ
=
G
/
H
{\displaystyle \Phi =G/H}
H
⊂
G
{\displaystyle H\subset G}
G
{\displaystyle G}
G
{\displaystyle G}
G
/
H
{\displaystyle G/H}
トレース表記
物理学において、シグマモデルの最も一般的で慣例的な記述は、定義から始まる。
L
μ
=
π
m
∘
(
g
−
1
∂
μ
g
)
{\displaystyle L_{\mu }=\pi _{\mathfrak {m}}\circ \left(g^{-1}\partial _{\mu }g\right)}
ここで、 は、 に対する マウラー・カルタン形式 を時空多様体上に 引き戻すものである。 は、 カルタン反転の奇パリティ部分への射影である。つまり、 のリー代数が与えられた場合 、反転は、反転の2つの固有状態に対応する奇パリティ成分と偶パリティ成分に空間を分解する 。シグマモデルのラグランジアンは次のように書ける。
g
−
1
∂
μ
g
{\displaystyle g^{-1}\partial _{\mu }g}
g
∈
G
{\displaystyle g\in G}
π
m
{\displaystyle \pi _{\mathfrak {m}}}
g
{\displaystyle {\mathfrak {g}}}
G
{\displaystyle G}
g
=
m
⊕
h
{\displaystyle {\mathfrak {g}}={\mathfrak {m}}\oplus {\mathfrak {h}}}
L
=
1
2
t
r
(
L
μ
L
μ
)
{\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}\mathrm {tr} \left(L_{\mu }L^{\mu }\right)}
これはSkyrme モデル の最初の項としてすぐに認識できます 。
これと同等の計量形式は、群元を リー代数の 元の 測地線として書くことです 。 は リー代数の基底元であり、 は の 構造定数 です 。
g
∈
G
{\displaystyle g\in G}
g
=
exp
(
θ
i
T
i
)
{\displaystyle g=\exp(\theta ^{i}T_{i})}
θ
i
T
i
∈
g
{\displaystyle \theta ^{i}T_{i}\in {\mathfrak {g}}}
g
{\displaystyle {\mathfrak {g}}}
[
T
i
,
T
j
]
=
f
i
j
k
T
k
{\displaystyle [T_{i},T_{j}]={f_{ij}}^{k}T_{k}}
f
i
j
k
{\displaystyle {f_{ij}}^{k}}
g
{\displaystyle {\mathfrak {g}}}
これを上記に直接代入し、 ベーカー・キャンベル・ハウスドルフの公式 の無限小形式を適用すると、同等の式が得られる。
L
=
1
2
g
i
j
(
ϕ
)
d
ϕ
i
∧
∗
d
ϕ
j
=
1
2
W
i
m
W
n
j
d
ϕ
i
∧
∗
d
ϕ
j
t
r
(
T
m
T
n
)
{\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}g_{ij}(\phi )\;\mathrm {d} \phi _{i}\wedge {*\mathrm {d} \phi _{j}}={\frac {1}{2}}\;{W_{i}}^{m}{W^{n}}_{j}\;\;\mathrm {d} \phi _{i}\wedge {*\mathrm {d} \phi _{j}}\;\;\mathrm {tr} (T_{m}T_{n})}
ここで 、 は明らかにキリング形式(に比例)であり、 は 「曲がった」計量を 「平坦な」計量 で表す ビエルバイン です。 ベーカー・キャンベル・ハウスドルフの公式 に関する記事では、 ビエルバインを明示的に表しています。次のように書くことができます。
t
r
(
T
m
T
n
)
{\displaystyle \mathrm {tr} (T_{m}T_{n})}
W
i
m
{\displaystyle {W_{i}}^{m}}
g
i
j
{\displaystyle g_{ij}}
t
r
(
T
m
T
n
)
{\displaystyle \mathrm {tr} (T_{m}T_{n})}
W
=
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
M
n
(
n
+
1
)
!
=
(
I
−
e
−
M
)
M
−
1
{\displaystyle W=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}M^{n}}{(n+1)!}}=(I-e^{-M})M^{-1}}
ここで、 は 行列要素が である行列です 。
M
{\displaystyle M}
M
j
k
=
θ
i
f
i
j
k
{\displaystyle {M_{j}}^{k}=\theta ^{i}{f_{ij}}^{k}}
対称空間上のシグマモデルでは、リー群とは異なり、 は 全体ではなく 部分空間を張るように制限されます 。 上のリー交換子は 内にあり ませ ん 。実際、 が存在する ため、射影が依然として必要です。
T
i
{\displaystyle T_{i}}
m
{\displaystyle {\mathfrak {m}}}
g
=
m
⊕
h
{\displaystyle {\mathfrak {g}}={\mathfrak {m}}\oplus {\mathfrak {h}}}
m
{\displaystyle {\mathfrak {m}}}
m
{\displaystyle {\mathfrak {m}}}
[
m
,
m
]
⊂
h
{\displaystyle [{\mathfrak {m}},{\mathfrak {m}}]\subset {\mathfrak {h}}}
拡張機能
このモデルはさまざまな方法で拡張できます。前述の4 次項を導入する Skyrme モデルの ほかに、このモデルに ねじれ項を追加して Wess-Zumino-Witten モデルを 作成することもできます 。
もう一つの可能性は、超重力 モデルでよく見られる 。ここで、マウラー・カルタン形式は 「純粋ゲージ」のように見えることに注意する。対称空間に対する上記の構成では、別の射影も考慮することができる。
g
−
1
d
g
{\displaystyle g^{-1}dg}
A
μ
=
π
h
∘
(
g
−
1
∂
μ
g
)
{\displaystyle A_{\mu }=\pi _{\mathfrak {h}}\circ \left(g^{-1}\partial _{\mu }g\right)}
ここで、前と同様に、対称空間は分割 に対応していました。この追加の項は、 ファイバーバンドル上の 接続 として解釈できます (ゲージ場として変換されます)。これは、 上の接続から「残った」ものです 。次のように書くことで、独自のダイナミクスを付与できます。
g
=
m
⊕
h
{\displaystyle {\mathfrak {g}}={\mathfrak {m}}\oplus {\mathfrak {h}}}
M
×
H
{\displaystyle M\times H}
G
{\displaystyle G}
L
=
g
i
j
F
i
∧
∗
F
j
{\displaystyle {\mathcal {L}}=g_{ij}F^{i}\wedge *F^{j}}
となります 。ここでの微分は単に「d」であり、共変微分ではないことに注意してください。これはヤン・ミルズ応力エネルギーテンソルで はありません 。この項はそれ自体ではゲージ不変ではありません。 に埋め込まれる接続の部分と一緒に取られる必要があります 。そのため 、一緒に取られると、接続が一部となった は、この項と一緒に、完全なゲージ不変ラグランジアンを形成します(展開すると、ヤン・ミルズ項が含まれます)。
F
i
=
d
A
i
{\displaystyle F^{i}=dA^{i}}
L
μ
{\displaystyle L_{\mu }}
L
μ
{\displaystyle L_{\mu }}
参考文献
^ 114ページ、 David Tong著 「 統計場理論の講義」
^ Julian S. Schwinger、「基本的な相互作用の理論」、 Ann. Phys. 2 (407)、1957年。
^ ユルゲン・ヨスト (1991) リーマン幾何学と幾何解析、シュプリンガー
Ketov, Sergei (2009). 「非線形シグマモデル」. Scholarpedia . 4 (1): 8508. Bibcode :2009SchpJ...4.8508K. doi : 10.4249/scholarpedia.8508 .