마요라나 스피너
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1. 개요
마요라나 스피너는 실수 클리퍼드 대수와 관련된 개념으로, 특정 조건에서 실수 또는 허수 감마 행렬을 갖는 스피너를 의미한다. 클리퍼드 대수의 분류에 따라 마요라나 스피너, 유사 마요라나 스피너, 심플렉틱-마요라나 스피너로 구분되며, 디랙 스피너의 실수 조건과 관련된다. 마요라나 스피너는 스스로의 반입자를 이루는 특징을 가지며, 물리학에서 중성미자를 포함한 입자 연구에 응용된다. 이 용어는 에토레 마요라나의 이름을 따서 명명되었다.
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마요라나 스피너 | |
---|---|
개요 | |
유형 | 디랙 스피너의 일종 |
발견자 | 에토레 마요라나 |
상세 정보 | |
정의 | 전하 켤레 연산자에 의해 자기 자신으로 변환되는 스피너 |
응용 분야 | 중성미자, 초대칭 이론 |
2. 정의
차원 부호수의 내적을 갖는 실수 벡터 공간 위의 클리퍼드 대수와 그 부분 대수를 이용하여 마요라나 스피너를 정의한다. 실수 클리퍼드 대수의 분류에 따라 스피너와 감마 행렬의 성질(마요라나, 심플렉틱-마요라나, 바일 스피너 등)이 결정된다.
2. 1. 클리퍼드 대수와 스피너의 분류
차원의 부호수의 내적을 갖는 실수 벡터 공간 위의 클리퍼드 대수 를 생각할 수 있다. 즉,:
에서, 는 개의 +부호와 개의 −부호를 갖는다. 또한, 그 속에서 짝수 개의 만을 포함하는 항들로 구성된 부분 대수 가 존재한다.
실수 클리퍼드 대수 는 다음과 같이 분류되며, 이는 스피너와 감마 행렬의 성질을 결정한다.
스피너의 성질 | 감마 행렬의 성질 | |||
---|---|---|---|---|
±4 | 바일 스피너 (심플렉틱-마요라나-바일 스피너) | 복소수 | ||
+3 | 디랙 스피너 (심플렉틱-마요라나 스피너) | 복소수 | ||
+2 | 마요라나 스피너, 바일 스피너 | 실수 | ||
+1 | 마요라나 스피너 | 실수 | ||
±0 | 마요라나-바일 스피너 | 실수 | ||
−1 | 마요라나 스피너 | 허수 | ||
−2 | 마요라나 스피너, 바일 스피너 | 허수 | ||
−3 | 디랙 스피너 (심플렉틱-마요라나 스피너) | 복소수 |
여기서
:
는 디랙 스피너의 복소수 차원이며, , , 는 각각 실수체, 복소수체, 사원수 대수를 뜻한다.
위 표에서,
- 의 계수 는 감마 행렬의 성질을 결정한다.
- * 계수가 인 경우 (즉, ), 모든 감마 행렬이 실수 행렬이 되는, 핀 군 의 실수 표현이 존재한다. 이를 '''마요라나 피너'''(Majorana pinor영어)라고 한다.
- * 만약 계수가 가 아니지만, 부호수를 뒤집었을 때 계수가 라면 (즉, 가 마요라나 피너를 가질 경우), 모든 감마 행렬이 허수가 되는 표현이 존재한다. 이는 간혹 '''유사 마요라나 피너'''(pseudo-Majorana pinor영어)라고 불리나, 이 용어는 일부 문헌에서 다른 뜻으로 쓰인다.
- * 계수가 일 경우, 만약 개의 디랙 스피너가 존재하며, 이 차원의 공간에 심플렉틱 구조를 부여할 때, 이에 대한 실수 조건을 가할 수 있다. 이는 차원 사원수 벡터 공간 위의 표현을 이룬다. 이를 '''심플렉틱-마요라나 피너'''(symplectic-Majorana pinor영어)라고 한다.
- 의 계수는 스피너의 성질을 결정한다.
3. 성질
마요라나 스피너는 그 양자가 스스로의 반입자를 이룬다는 실수 조건을 갖는다.[1] 질량이 0인 경우, 마요라나 스피너는 바일 스피너로 나타낼 수 있다.[1] 즉, 바일 스피너장은 질량이 없는 마요라나 스피너장으로 볼 수 있다.[1]
3. 1. 디랙 스피너의 실수 조건
차원 시공간의 '''디랙 피너'''(Dirac pinor영어)는 복소수 클리퍼드 대수:
:
의 차원 정의 표현이다. 만약 이 짝수인 경우, 이는 두 개의 차원 '''바일 피너'''(Weyl pinor영어)로 분해된다.
복소수 클리퍼드 대수 는 에르미트 형식
:
을 가지며, 이는
;
를 만족시킨다. (여기서 는 의 값에만 의존한다.)
이제, 어떤 부호 를 골랐을 때, 디랙 피너의 공간에 대하여, 다음과 같은 복소수 쌍선형 형식 가 존재하는지 여부를 따질 수 있다.
:
: (복부호 동순이 아님)
이 경우, 만약 가 대칭일 경우 이는 디랙 피너 공간의 실수 구조를 정의하며, 만약 가 반대칭일 경우 이는 디랙 피너 공간의 사원수 구조를 정의한다.
만약 디랙 피너 공간 가 실수 구조를 갖는다면,
:
를 만족시키는 디랙 피너를 '''마요라나 스피너'''라고 한다.
만약 디랙 피너 공간 가 사원수 구조를 갖는다면,
:
를 만족시키는 디랙 피너는 0 밖에 없다. 그러나 임의의 심플렉틱 벡터 공간 에 대하여, 위에서,
:
를 만족시키는 디랙 피너를 '''심플렉틱-마요라나 스피너'''라고 한다.
3. 2. 감마 행렬의 실수성
마요라나 스피너장의 경우, 감마 행렬이 순수하게 실수가 되게 잡을 수 있다. 유사 마요라나 스피너장의 경우, 감마 행렬이 순수하게 허수가 되게 잡을 수 있다.3. 3. 물리학적 성질
마요라나 스피너는 실수성 조건에 따라, 그 양자가 스스로의 반입자를 이룬다.[1]질량항이 0이라면, 마요라나 스피너는 바일 스피너로 표기될 수 있다.[1] 즉, 바일 스피너장은 질량이 0인 마요라나 스피너장으로 여겨질 수 있다.[1]
4. 예
마요라나 스피너는 차원 및 부호수에 따라 다양한 형태로 존재한다.
- 1차원: 부호수 (1,0)에서 마요라나 스피너가 존재한다.
- 2차원: 부호수 (1,1)과 (0,2)에서 실수 2차원 마요라나 스피너가 존재한다.
- 3차원: 부호수 (2,1)에서 실수 마요라나 스피너, (1,2)에서는 유사 마요라나 스피너가 존재한다. (0,3)에서는 심플렉틱-마요라나 스피너를 정의할 수 있다.
- 4차원: 부호수 (1,3) (민코프스키 공간)에서 마요라나 스피너, (2,2)에서는 마요라나-바일 스피너가 존재한다.
- 5차원: 부호수 (3,2)에서 실수 4차원 마요라나 스피너가 존재한다.
- 6차원: 부호수 (0,6), (3,3), (4,2)에서 8차원 마요라나 스피너가 존재하며, (1,5)에서는 심플렉틱-마요라나 스피너를 정의할 수 있다.
이러한 마요라나 스피너의 존재 여부 및 성질은 클리퍼드 대수 및 리 군의 동형 사상과 관련이 있다.
4. 1. 1차원
1차원에서는 다음과 같다.:
:
즉, 부호수가 일 때는 마요라나 스피너가 존재하며, 이 경우 감마 행렬은 다음과 같다.
:
4. 2. 2차원
2차원에서 회전군은 다음과 같다.:
:
이 경우 클리퍼드 대수는 다음과 같다.
:
:
부호수 일 때, 감마 행렬은 다음과 같다.
:
:
이 경우,
:
:
:
이 되어 실수 감마 행렬을 이루며, 이는 실수 2차원 마요라나 스피너 위에 작용한다.
마찬가지로, 부호수 일 때, 감마 행렬은 다음과 같다.
:
:
이 경우,
:
:
이 되며, 이는 실수 2차원 마요라나 스피너 위에 작용한다.
4. 3. 3차원
3차원에서, 클리퍼드 대수는 부호수에 따라 다음과 같이 분류된다.[1]부호수 | 클리퍼드 대수 |
---|---|
(0,3) | |
(1,2) | |
(2,1) | |
(3,0) |
부호수 일 때, 감마 행렬은 다음과 같다.[1]
:
:
:
이는 완전히 실수인 감마 행렬이며, (2,1)차원에 존재하는 마요라나 스피너 위에 작용한다. 이 표현은 동형 사상 에서 비롯한다.[1]
일 때, 위 행렬들에 모두 를 곱하면, (2,1)차원의 유사 마요라나 스피너 위에 작용하는 완전 허수 감마 행렬이 된다.[1]
또는 일 때는 순수 실수 감마 행렬이 존재할 수 없다. 이 경우, 파울리 행렬 은 부호수 (0,3)의 경우의 복소수 2차원 디랙 스피너 위에 작용한다.[1]
부호수 에서 짝수 개의 스피너가 존재할 경우, 심플렉틱-마요라나 스피너를 정의할 수 있다. 이는 리 군의 동형 사상 에서 유래한다. 부호수 의 경우, 사원수 감마 행렬은 다음과 같다.[1]
:
:
:
이때, 다음이 성립한다.[1]
:
:
4. 4. 4차원
4차원 클리퍼드 대수는 부호수에 따라 다음과 같이 분류된다.[1]이에 따라 다음과 같은 성질을 갖는다.
- 부호수 (0,4) (유클리드 공간)에서는 마요라나 스피너가 존재하지 않는다.
- 부호수 (1,3) (민코프스키 공간)에서는 마요라나 스피너가 존재한다.
- 부호수 (2,2)에서는 마요라나-바일 스피너가 존재한다.
부호수 (1,3)인 경우(대부분 +부호 계량의 4차원 민코프스키 공간) 감마 행렬은 다음과 같이 실수 행렬로 표현할 수 있다.[1]
:
:
:
:
이는 실수 리 대수의 동형 에서 유래한다. 여기서 는 두 2×2 행렬의 크로네커 곱이다.
부호수가 일 때는, 실수 리 대수 동형 이 존재한다.[1] 즉, 이 경우 실수 2차원의 왼쪽과 오른쪽 마요라나-바일 스피너가 존재한다. 감마 행렬은 다음과 같이 표현할 수 있다.
:
:
:
:
이 경우, 감마 행렬의 반교환 관계는 다음과 같다.
:
:
:
부호수 일 때는, 에 의하여 심플렉틱-마요라나 바일 스피너가 존재한다.[1]
4. 5. 5차원
5차원 클리퍼드 대수는 부호수에 따라 다음과 같이 분류된다.[1]부호수 (s, t) | 클리퍼드 대수 표현 |
---|---|
(3, 2) | |
(0, 5), (2, 3), (1, 4) | |
(1, 4) |
부호수가 (3, 2)인 경우, 실수 4차원 마요라나 스피너가 존재한다. 이는 5차원 회전군의 특수한 동형사상[1]
:
때문이다. 다른 부호수의 경우, 다음 동형사상에 의해 복소수 4차원 디랙 스피너를 갖는다.[1]
:
:
4. 6. 6차원
6차원에서 실수 클리퍼드 대수는 다음과 같다.[1]:
:
:
즉, 부호수 일 때는 8차원 마요라나 스피너가 존재한다. 이는 실수 리 대수의 동형[1]
:
:
:
에서 기인한다. 특히, 부호수 (3,3)에서, 마요라나 스피너는 각각 실수 4차원의 왼쪽과 오른쪽 마요라나-바일 스피너로 분해되며, 이는 의 정의 표현이다.[1]
부호수 (1,5)의 경우, 실수 리 대수의 동형[1]
:
로 인하여 심플렉틱-마요라나 스피너를 정의할 수 있다.[1]
5. 역사
에토레 마요라나의 이름을 따서 명명되었다.
6. 응용
물리학의 표준 모형에서, 중성미자를 제외한 모든 입자는 바일 스피너이다 (즉, 마요라나 질량항을 갖지 않는다). 다만, 중성미자는 마요라나 스피너를 이룰 가능성이 있다.
참조
[1]
서적
Supergravity
[2]
논문
Tools for supersymmetry
1999
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