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分立对称性

分立对称性通常指的是空间反演、时间反演和电荷共轭,即$\mathcal{P,T,C}$。对于具体的拉氏量可能会有其他对称性。

此外有个重要定理CPT定理,主旨是作用量在三者的联合作用下不变。

空间反演

标量场

一维的线性变换只能是常数,又根据两次变换回到自身的性质可知$L(\mathcal P)^2=1\Rightarrow L(\mathcal P)=\pm1$。所以

其中正号为普通标量场,负号为赝(pseudo)标量场

旋量场

旋量场的运动方程为

做空间反演变换$x\rightarrow y=\mathcal Px,\varphi(x)\rightarrow L(\mathcal P)\varphi(y)$,则

这说明

解得$L(\mathcal P)=\sigma_PC^0$. 作用量为

注意一个有趣的事,两次变换后$\varphi(x)\rightarrow\sigma_PC^0\varphi(y)\rightarrow\sigma_P^2(C^0)^2\varphi(x)=-\varphi(x)$并不回到自身

旋量场的算符都是双线性的,即$\bar\varphi X\varphi,X=1,C^\mu,\cdots$ 形式,计算第一个的变换关系

同样我们可以得到$X\rightarrow(iC^0)^{-1}(C^0)^TiC^0XC^0=-C^0XC^0$,即

$\bar\varphi(x)X\varphi(x)$ $1$ $C_5=C^0C^1C^2C^3$ $iC^\mu$ $C^\mu C^5$ $S^{\mu\nu}=-\frac i4\left[C^\mu,C^\nu\right]$
$\bar\varphi(y)Y\varphi(y)$ $1$ $-C^5$ $\mathcal P^\mu_\nu iC^\nu$ $-\mathcal P^\mu_\nu C^\nu C^5$ $\mathcal P^\mu_\rho\mathcal P^\nu_\sigma S^{\rho\sigma}$

注意$g^\mu_\nu=\{-1,1,1,1\}=-\mathcal P^\mu_\nu$ ,以及最后一项的系数为$2(g^{\mu0}+g^{\nu0})+1$,当其中一者为零时为负.

电磁场

矢量变换规律为

所以电磁张量变换规律为

时间反演

标量场

旋量场

和空间反演类似,我们可以得到

再根据作用量不变得到$\sigma_T^2=1$.

因此

$\bar\varphi(x)X\varphi(x)$ $1$ $C_5$ $iC^\mu$ $C^\mu C^5$ $S^{\mu\nu}$
$\bar\varphi(y)Y\varphi(y)$ $1$ $-C^5$ $-\mathcal T^\mu_\nu iC^\nu$ $-\mathcal T^\mu_\nu C^\nu C^5$ $-\mathcal T^\mu_\rho\mathcal T^\nu_\sigma S^{\rho\sigma}$

作为例子,守恒荷$Q=-\int\mathrm d^3\vec x\ \bar\varphi(x)iC^0\varphi(x)$,变换为$-\int\mathrm d^3\vec x\ \bar\varphi(y)iC^0\varphi(y)=Q$

流$J=\int\mathrm d^3\vec x\ \bar\varphi(x)iC^i\varphi(x)$,变换为$-J$。

电磁场

为了使$J_\mu A^\mu$为Lorentz标量,电磁势的变换为

电荷共轭

复标量场

对于复标量场,根据$U(1)$对称性,取$\varphi(x)\rightarrow e^{+i\alpha(x)}\varphi(x),\alpha\in\mathbb R$

设$eA^\mu=i\partial^\mu\alpha(x)$,则

当$e\rightarrow-e$时可知

旋量场

即便我们不知道具体形式,我们希望仍然是取共轭

则对于$\bar\varphi(x)X\varphi(x)$变换为

因此

$\bar\varphi(x)X\varphi(x)$ $1$ $C_5$ $iC^\mu$ $C^\mu C^5$ $S^{\mu\nu}$
$\bar\varphi(x)Y\varphi(x)$ $1$ $C^5$ $-iC^\mu$ $C^\mu C^5$ $-S^{\mu\nu}$

特殊的在于$X=iC^0$时,变换为$-\bar\varphi(x)iC^0\varphi(x)+4\delta^3(0)$

电磁场

为了使$J_\mu A^\mu$ 为标量

总结

标量场$\varphi(x)$ 旋量场$\varphi(x)$ $\bar\varphi(x)X\varphi(x)$ 电磁势$A^\mu(x)$ 电磁张量$F^{\mu\nu}(x)$
$\mathcal P$ $\varphi(\mathcal Px)$ $C^0\varphi(\mathcal Px)$ $-\bar\varphi(y)C^0XC^0\varphi(y)$ $\mathcal P^\mu_\rho A^\rho(y)$ $\mathcal P^\mu_\rho\mathcal P^\nu_\sigma F^{\rho\sigma}(y)$
$\mathcal T$ $\varphi(\mathcal Tx)$ $C^0C_5\varphi(\mathcal Tx)$ $\bar\varphi(y)C_5C^0X^*C^0C_5\varphi(y)$ $-\mathcal T^\mu_\rho A^\rho(y)$ $-\mathcal T^\mu_\rho\mathcal T^\nu_\sigma F^{\rho\sigma}(y)$
$\mathcal C$ $\varphi^*(x)$ $\varphi^*(x)$ $-\bar\varphi(x)C^0X^TC^0\varphi(x)+\mathrm{Tr}[iC^0X]\delta^3(0)$ $-A^\mu(x)$ $-F^{\mu\nu}(x)$
  1. Dirac流为$J^\mu(x)=\bar\varphi(x)iC^\mu\varphi(x)$
  2. 对于标量场变换后均有个$\pm$,对于空间反演区分了标量场和赝标量场
  3. 旋量场变换后符号也未定,但因为物理量都是双线性的,所以就不重要了

CPT定理

既然$\mathcal{C,P,T}$作用下都能使作用量保持不变,那么其联合作用自然也能保持不变。

更一般的,如今已知的所有过程都满足联合作用不变,但对于单一过程可能有变化。