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  2. Dirac-Matrizen – Wikipedia
Dirac-Matrizen – Wikipedia 👆 Click Here!
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Die Dirac-Matrizen (nach dem britischen Physiker Paul Dirac), auch Gamma-Matrizen genannt, sind vier Matrizen, die der Dirac-Algebra genügen. Sie treten in der Dirac-Gleichung auf.

Definition

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Die Dirac-Matrizen γ 0 , γ 1 , γ 2 {\displaystyle \gamma ^{0},\,\gamma ^{1}\,,\gamma ^{2}\,} {\displaystyle \gamma ^{0},\,\gamma ^{1}\,,\gamma ^{2}\,} und γ 3 {\displaystyle \,\gamma ^{3}\,} {\displaystyle \,\gamma ^{3}\,} erfüllen definitionsgemäß die Dirac-Algebra, das heißt, die algebraischen Bedingungen

γ 0 γ 0 = I , γ 1 γ 1 = − I , γ 2 γ 2 = − I , γ 3 γ 3 = − I , γ 0 γ 1 = − γ 1 γ 0 , γ 0 γ 2 = − γ 2 γ 0 , γ 0 γ 3 = − γ 3 γ 0 , γ 1 γ 2 = − γ 2 γ 1 , γ 1 γ 3 = − γ 3 γ 1 , γ 2 γ 3 = − γ 3 γ 2 . {\displaystyle {\begin{aligned}\gamma ^{0}\gamma ^{0}&=I\,,&\gamma ^{1}\gamma ^{1}&=-I\,,&\gamma ^{2}\gamma ^{2}&=-I\,,&\gamma ^{3}\gamma ^{3}&=-I\,,\\\gamma ^{0}\gamma ^{1}&=-\gamma ^{1}\gamma ^{0}\,,&\gamma ^{0}\gamma ^{2}&=-\gamma ^{2}\gamma ^{0}\,,&\gamma ^{0}\gamma ^{3}&=-\gamma ^{3}\gamma ^{0}\,,&&\\\gamma ^{1}\gamma ^{2}&=-\gamma ^{2}\gamma ^{1}\,,&\gamma ^{1}\gamma ^{3}&=-\gamma ^{3}\gamma ^{1}\,,&\gamma ^{2}\gamma ^{3}&=-\gamma ^{3}\gamma ^{2}\,.&&\end{aligned}}} {\displaystyle {\begin{aligned}\gamma ^{0}\gamma ^{0}&=I\,,&\gamma ^{1}\gamma ^{1}&=-I\,,&\gamma ^{2}\gamma ^{2}&=-I\,,&\gamma ^{3}\gamma ^{3}&=-I\,,\\\gamma ^{0}\gamma ^{1}&=-\gamma ^{1}\gamma ^{0}\,,&\gamma ^{0}\gamma ^{2}&=-\gamma ^{2}\gamma ^{0}\,,&\gamma ^{0}\gamma ^{3}&=-\gamma ^{3}\gamma ^{0}\,,&&\\\gamma ^{1}\gamma ^{2}&=-\gamma ^{2}\gamma ^{1}\,,&\gamma ^{1}\gamma ^{3}&=-\gamma ^{3}\gamma ^{1}\,,&\gamma ^{2}\gamma ^{3}&=-\gamma ^{3}\gamma ^{2}\,.&&\end{aligned}}}

mit der Einheitsmatrix I {\displaystyle I} {\displaystyle I}. Diese Bedingungen betreffen Antikommutatoren, also die Summe der Produkte zweier Matrizen in beiden Reihenfolgen,

{ A , B } = A B + B A . {\displaystyle \{A,B\}=A\,B+B\,A\,.} {\displaystyle \{A,B\}=A\,B+B\,A\,.}

In Indexnotation, in der μ {\displaystyle \mu } {\displaystyle \mu } und ν {\displaystyle \nu } {\displaystyle \nu } für Zahlen aus { 0 , 1 , 2 , 3 } {\displaystyle \{0,1,2,3\}} {\displaystyle \{0,1,2,3\}} stehen, schreiben sich die Bedingungen an die Dirac-Matrizen zusammenfassend als

{ γ μ , γ ν } = γ μ γ ν + γ ν γ μ = 2 η μ ν I . {\displaystyle \{\gamma ^{\mu },\gamma ^{\nu }\}=\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\nu }\gamma ^{\mu }=2\,\eta ^{\mu \nu }I\,.} {\displaystyle \{\gamma ^{\mu },\gamma ^{\nu }\}=\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\nu }\gamma ^{\mu }=2\,\eta ^{\mu \nu }I\,.}

Dabei sind η μ ν {\displaystyle \eta ^{\mu \nu }} {\displaystyle \eta ^{\mu \nu }} die Komponenten der Minkowski-Metrik mit Signatur (1,−1,−1,−1).

Die γ5-Matrix

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Zusätzlich zu den vier Gamma-Matrizen definiert man noch die Matrix

γ 5 = i γ 0 γ 1 γ 2 γ 3   . {\displaystyle \gamma ^{5}=\mathrm {i} \,\gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}\ .} {\displaystyle \gamma ^{5}=\mathrm {i} \,\gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}\ .}

Sie ist ihr eigenes Inverses, γ 5 γ 5 = I , {\displaystyle \gamma ^{5}\gamma ^{5}=I\,,} {\displaystyle \gamma ^{5}\gamma ^{5}=I\,,} ist hermitesch, antivertauscht mit den Gamma-Matrizen, γ 5 γ μ = − γ μ γ 5 , {\displaystyle \gamma ^{5}\gamma ^{\mu }=-\gamma ^{\mu }\gamma ^{5}\,,} {\displaystyle \gamma ^{5}\gamma ^{\mu }=-\gamma ^{\mu }\gamma ^{5}\,,} und demnach mit jedem Produkt von Gamma-Matrizen mit einer ungeraden Anzahl von Faktoren.

Eigenschaften

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Die Gamma-Matrizen erzeugen eine Clifford-Algebra. Jede irreduzible Darstellung dieser Algebra durch Matrizen besteht aus 4 × 4 {\displaystyle 4\times 4} {\displaystyle 4\times 4}-Matrizen. Die Elemente des Vektorraumes, auf den sie wirken, heißen Spinoren. Verschiedene Darstellungen der Dirac-Algebra sind einander äquivalent, das heißt, sie unterscheiden sich nur durch die gewählte Basis. Insbesondere sind die negativen transponierten Matrizen − γ μ T {\displaystyle -\gamma ^{\mu \,{\text{T}}}} {\displaystyle -\gamma ^{\mu \,{\text{T}}}} und die hermitesch adjungierten Matrizen γ μ † {\displaystyle \gamma ^{\mu \,\dagger }} {\displaystyle \gamma ^{\mu \,\dagger }} den Matrizen γ μ {\displaystyle \,\gamma ^{\mu }\,} {\displaystyle \,\gamma ^{\mu }\,} äquivalent, denn sie erfüllen ebenfalls die Dirac-Algebra. Es gibt daher eine Matrix A {\displaystyle A} {\displaystyle A} und eine Matrix C {\displaystyle C} {\displaystyle C}, so dass

C γ μ C − 1 = − γ μ T   , A γ μ A − 1 = γ μ † . {\displaystyle C\gamma ^{\mu }C^{-1}=-\gamma ^{\mu \,{\text{T}}}\ ,\quad A\gamma ^{\mu }A^{-1}=\gamma ^{\mu \,\dagger }\,.} {\displaystyle C\gamma ^{\mu }C^{-1}=-\gamma ^{\mu \,{\text{T}}}\ ,\quad A\gamma ^{\mu }A^{-1}=\gamma ^{\mu \,\dagger }\,.}

Die Matrix A {\displaystyle A} {\displaystyle A} ist zur Konstruktion von Skalaren, Vektoren und Tensoren aus Spinoren wichtig, die Matrix C {\displaystyle C} {\displaystyle C} tritt bei der Ladungskonjugation auf.

Jedes Produkt mehrerer Dirac-Matrizen lässt sich bis auf ein Vorzeichen als Produkt verschiedener Dirac-Matrizen in lexographischer Ordnung schreiben, denn das Produkt zweier verschiedener Gamma-Matrizen kann auf Kosten eines Vorzeichens umgeordnet werden. Zudem ist das Quadrat jeder Gamma-Matrix 1 oder −1. Die Produkte verschiedener Gamma-Matrizen bilden zusammen mit der Eins-Matrix und den negativen Matrizen eine Gruppe mit den 32 Elementen,

± 1 , ± γ μ , ± γ μ γ ν , μ < ν , ± γ λ γ μ γ ν , λ < μ < ν , ± γ 0 γ 1 γ 2 γ 3 , wobei λ , μ , ν ∈ { 0 , 1 , 2 , 3 } . {\displaystyle \pm 1\,,\,\pm \gamma ^{\mu }\,,\,\pm \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\,,\,\mu <\nu \,,\,\pm \gamma ^{\lambda }\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\,,\,\lambda <\mu <\nu \,,\,\pm \gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}\,,\,{\text{wobei}}\,\lambda ,\mu ,\nu \in \{0,1,2,3\}\,.} {\displaystyle \pm 1\,,\,\pm \gamma ^{\mu }\,,\,\pm \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\,,\,\mu <\nu \,,\,\pm \gamma ^{\lambda }\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\,,\,\lambda <\mu <\nu \,,\,\pm \gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}\,,\,{\text{wobei}}\,\lambda ,\mu ,\nu \in \{0,1,2,3\}\,.}

Da jede Darstellung einer endlichen Gruppe bei geeigneter Basiswahl unitär ist, ist auch jede Darstellung der Gamma-Matrizen bei geeigneter Wahl der Basis unitär. Zusammen mit der Dirac-Algebra heißt dies, dass γ 0 {\displaystyle \gamma ^{0}} {\displaystyle \gamma ^{0}} hermitesch und die drei anderen γ {\displaystyle \gamma } {\displaystyle \gamma }-Matrizen antihermitesch sind,

γ 0 † = γ 0 , γ 1 † = − γ 1 , γ 2 † = − γ 2 , γ 3 † = − γ 3 . {\displaystyle \gamma ^{0\,\dagger }=\gamma ^{0}\,,\,\gamma ^{1\,\dagger }=-\gamma ^{1}\,,\,\gamma ^{2\,\dagger }=-\gamma ^{2}\,,\,\gamma ^{3\,\dagger }=-\gamma ^{3}\,.} {\displaystyle \gamma ^{0\,\dagger }=\gamma ^{0}\,,\,\gamma ^{1\,\dagger }=-\gamma ^{1}\,,\,\gamma ^{2\,\dagger }=-\gamma ^{2}\,,\,\gamma ^{3\,\dagger }=-\gamma ^{3}\,.}

In unitären Darstellungen bewirkt A = γ 0 {\displaystyle A=\gamma ^{0}} {\displaystyle A=\gamma ^{0}} die Äquivalenztransformation zu den adjungierten Matrizen

γ 0 γ μ γ 0 = γ μ † . {\displaystyle \gamma ^{0}\gamma ^{\mu }\gamma ^{0}=\gamma ^{\mu \,\dagger }\,.} {\displaystyle \gamma ^{0}\gamma ^{\mu }\gamma ^{0}=\gamma ^{\mu \,\dagger }\,.}

Mithilfe der Eigenschaften von γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} kann gezeigt werden, dass die Spur jedes Produktes von Gamma-Matrizen mit einer ungeraden Anzahl von Faktoren verschwindet.

Spur ( γ μ 1 … γ μ 2 n + 1 ) = Spur ( γ μ 1 … γ μ 2 n + 1 γ 5 γ 5 ) = − Spur ( γ 5 γ μ 1 … γ μ 2 n + 1 γ 5 ) = − Spur ( γ μ 1 … γ μ 2 n + 1 γ 5 γ 5 ) = − Spur ( γ μ 1 … γ μ 2 n + 1 ) . {\displaystyle {\begin{aligned}{\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}{\bigr )}&={\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}\gamma ^{5}\gamma ^{5}{\bigr )}=-{\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{5}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}\gamma ^{5}{\bigr )}\\&=-{\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}\gamma ^{5}\gamma ^{5}{\bigr )}=-{\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}{\bigr )}\,.\end{aligned}}} {\displaystyle {\begin{aligned}{\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}{\bigr )}&={\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}\gamma ^{5}\gamma ^{5}{\bigr )}=-{\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{5}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}\gamma ^{5}{\bigr )}\\&=-{\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}\gamma ^{5}\gamma ^{5}{\bigr )}=-{\text{Spur}}\,{\bigl (}\gamma ^{\mu _{1}}\dots \gamma ^{\mu _{2n+1}}{\bigr )}\,.\end{aligned}}}

Im vorletzten Schritt wurde dabei verwendet, dass die Spur eines Produktes sich bei zyklischer Vertauschung der Faktoren nicht ändert und demnach Spur ( γ 5 B ) = Spur ( B γ 5 ) {\displaystyle {\text{Spur}}\,(\gamma ^{5}\,B)={\text{Spur}}\,(B\,\gamma ^{5})} {\displaystyle {\text{Spur}}\,(\gamma ^{5}\,B)={\text{Spur}}\,(B\,\gamma ^{5})} gilt.

Für die Spur eines Produktes von zwei Gamma-Matrizen gilt (weil die Spur zyklisch ist)

Spur γ μ γ ν = 1 2 Spur ( γ μ γ ν + γ ν γ μ ) = 2 η μ ν 2 Spur 1 = 4 η μ ν . {\displaystyle {\text{Spur}}\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }={\frac {1}{2}}{\text{Spur}}(\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\nu }\,\gamma ^{\mu })={\frac {2\,\eta ^{\mu \nu }}{2}}{\text{Spur 1}}=4\,\eta ^{\mu \nu }\,.} {\displaystyle {\text{Spur}}\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }={\frac {1}{2}}{\text{Spur}}(\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\nu }\,\gamma ^{\mu })={\frac {2\,\eta ^{\mu \nu }}{2}}{\text{Spur 1}}=4\,\eta ^{\mu \nu }\,.}

Die Spur von vier Gamma-Matrizen reduziert man mit der Dirac-Algebra auf die Spur von zwei:

2 Spur γ κ γ λ γ μ γ ν = Spur ( γ κ γ λ γ μ γ ν + γ λ γ μ γ ν γ κ ) = Spur ( γ κ γ λ γ μ γ ν + γ λ γ κ γ μ γ ν         − γ λ γ κ γ μ γ ν − γ λ γ μ γ κ γ ν         + γ λ γ μ γ κ γ ν + γ λ γ μ γ ν γ κ ) = 2 η κ λ Spur ( γ μ γ ν ) − 2 η κ μ Spur ( γ λ γ ν ) + 2 η κ ν Spur ( γ λ γ μ ) . {\displaystyle {\begin{array}{rcl}2\,{\text{Spur}}\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }&=&{\text{Spur}}(\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }\,\gamma ^{\kappa })\\&=&{\text{Spur}}(\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }\\&&\ \ \ \ -\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }-\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\nu }\\&&\ \ \ \ +\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }\,\gamma ^{\kappa })\\&=&2\,\eta ^{\kappa \lambda }{\text{Spur}}(\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu })-2\,\eta ^{\kappa \mu }{\text{Spur}}(\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\nu })+2\,\eta ^{\kappa \nu }{\text{Spur}}(\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu })\,.\end{array}}} {\displaystyle {\begin{array}{rcl}2\,{\text{Spur}}\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }&=&{\text{Spur}}(\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }\,\gamma ^{\kappa })\\&=&{\text{Spur}}(\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }\\&&\ \ \ \ -\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }-\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\nu }\\&&\ \ \ \ +\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }\,\gamma ^{\kappa })\\&=&2\,\eta ^{\kappa \lambda }{\text{Spur}}(\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu })-2\,\eta ^{\kappa \mu }{\text{Spur}}(\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\nu })+2\,\eta ^{\kappa \nu }{\text{Spur}}(\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu })\,.\end{array}}}

Daher gilt:

Spur γ κ γ λ γ μ γ ν = 4 ( η κ λ η μ ν − η κ μ η λ ν + η κ ν η λ μ ) . {\displaystyle {\begin{array}{rcl}{\text{Spur}}\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }&=&4\,(\eta ^{\kappa \lambda }\,\eta ^{\mu \nu }-\eta ^{\kappa \mu }\,\eta ^{\lambda \nu }+\eta ^{\kappa \nu }\,\eta ^{\lambda \mu })\,.\end{array}}} {\displaystyle {\begin{array}{rcl}{\text{Spur}}\,\gamma ^{\kappa }\,\gamma ^{\lambda }\,\gamma ^{\mu }\,\gamma ^{\nu }&=&4\,(\eta ^{\kappa \lambda }\,\eta ^{\mu \nu }-\eta ^{\kappa \mu }\,\eta ^{\lambda \nu }+\eta ^{\kappa \nu }\,\eta ^{\lambda \mu })\,.\end{array}}}

Falls also verschiedene Dirac-Matrizen in einem Produkt nicht paarweise auftauchen, verschwindet die Spur des Produktes. Daraus folgt unter anderem, dass die sechzehn Matrizen, die man als Produkt von Null bis vier verschiedenen Gamma-Matrizen erhält, linear unabhängig sind.

Dirac-Gleichung

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Dirac führte die Gamma-Matrizen ein, um die Klein-Gordon-Gleichung, die eine Differentialgleichung zweiter Ordnung ist, in eine Gleichung erster Ordnung umzuwandeln.

In natürlichen Einheiten kann die Dirac-Gleichung wie folgt geschrieben werden

( i γ μ ∂ μ − m ) ψ = 0 {\displaystyle (\mathrm {i} \gamma ^{\mu }\partial _{\mu }-m)\psi =0} {\displaystyle (\mathrm {i} \gamma ^{\mu }\partial _{\mu }-m)\psi =0}

wobei ψ {\displaystyle \psi } {\displaystyle \psi } ein Dirac-Spinor ist.

Multipliziert man beide Seiten mit − ( i γ ν ∂ ν + m ) {\displaystyle -(\mathrm {i} \gamma ^{\nu }\partial _{\nu }+m)} {\displaystyle -(\mathrm {i} \gamma ^{\nu }\partial _{\nu }+m)} erhält man

( η μ ν ∂ μ ∂ ν + m 2 ) ψ = ( ∂ 2 + m 2 ) ψ = 0 , {\displaystyle (\eta ^{\mu \nu }\partial _{\mu }\partial _{\nu }+m^{2})\psi =(\partial ^{2}+m^{2})\psi =0,} {\displaystyle (\eta ^{\mu \nu }\partial _{\mu }\partial _{\nu }+m^{2})\psi =(\partial ^{2}+m^{2})\psi =0,}

also gerade die Klein-Gordon-Gleichung für ein Teilchen der Masse m {\displaystyle m} {\displaystyle m}.

Zusammenhang zu Lorentz-Transformationen

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Die sechs Matrizen

Σ μ ν = 1 4 ( γ μ γ ν − γ ν γ μ ) {\displaystyle \Sigma ^{\mu \nu }={\frac {1}{4}}{\bigl (}\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }-\gamma ^{\nu }\gamma ^{\mu }{\bigr )}} {\displaystyle \Sigma ^{\mu \nu }={\frac {1}{4}}{\bigl (}\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }-\gamma ^{\nu }\gamma ^{\mu }{\bigr )}}

bilden die Basis einer Lie-Algebra, die der Lie-Algebra der Lorentztransformationen isomorph ist. Sie erzeugen die zu Lorentztransformationen (die stetig mit der 1 zusammenhängen) gehörigen Transformationen der Spinoren ψ {\displaystyle \psi } {\displaystyle \psi }.

Chiralität

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Aus ( γ 5 ) 2 = 1 {\displaystyle (\gamma ^{5})^{2}=1} {\displaystyle (\gamma ^{5})^{2}=1} und Spur γ 5 = 0 {\displaystyle {\text{Spur}}\,\gamma ^{5}=0} {\displaystyle {\text{Spur}}\,\gamma ^{5}=0} folgt, dass die Matrizen

P L = 1 − γ 5 2 , P R = 1 + γ 5 2 {\displaystyle P_{L}={\frac {1-\gamma ^{5}}{2}}\,,\quad P_{R}={\frac {1+\gamma ^{5}}{2}}} {\displaystyle P_{L}={\frac {1-\gamma ^{5}}{2}}\,,\quad P_{R}={\frac {1+\gamma ^{5}}{2}}}

Projektoren sind,

( P L ) 2 = P L , ( P R ) 2 = P R , {\displaystyle (P_{L})^{2}=P_{L}\,,\,(P_{R})^{2}=P_{R}\,,} {\displaystyle (P_{L})^{2}=P_{L}\,,\,(P_{R})^{2}=P_{R}\,,}

die auf zueinander komplementäre, zweidimensionale Unterräume projizieren,

P L P R = 0 ,   Spur P L = Spur P R = 2 , P L + P R = 1 . {\displaystyle P_{L}\,P_{R}=0\,,\ {\text{Spur}}\,P_{L}={\text{Spur}}\,P_{R}=2\,,\quad P_{L}+P_{R}=1\,.} {\displaystyle P_{L}\,P_{R}=0\,,\ {\text{Spur}}\,P_{L}={\text{Spur}}\,P_{R}=2\,,\quad P_{L}+P_{R}=1\,.}

Diese Unterräume unterscheiden Teilchen verschiedener Chiralität.

Weil γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} mit den Erzeugenden von Spinortransformationen vertauscht,

γ 5 Σ μ ν = Σ μ ν γ 5 , {\displaystyle \gamma ^{5}\Sigma ^{\mu \nu }=\Sigma ^{\mu \nu }\gamma ^{5}\,,} {\displaystyle \gamma ^{5}\Sigma ^{\mu \nu }=\Sigma ^{\mu \nu }\gamma ^{5}\,,}

sind die Unterräume, auf die P L {\displaystyle P_{L}} {\displaystyle P_{L}} und P R {\displaystyle P_{R}} {\displaystyle P_{R}} projizieren, invariant unter den von Σ μ ν {\displaystyle \Sigma ^{\mu \nu }} {\displaystyle \Sigma ^{\mu \nu }} erzeugten Lorentztransformationen, mit anderen Worten: Die links- und rechtshändigen Anteile, ψ L = P L ψ {\displaystyle \psi _{L}=P_{L}\psi } {\displaystyle \psi _{L}=P_{L}\psi } und ψ R = P R ψ {\displaystyle \psi _{R}=P_{R}\psi } {\displaystyle \psi _{R}=P_{R}\psi }, eines Spinors ψ {\displaystyle \psi } {\displaystyle \psi } transformieren getrennt voneinander.

Da P L {\displaystyle P_{L}} {\displaystyle P_{L}} und P R {\displaystyle P_{R}} {\displaystyle P_{R}} hermitesch sind, weil γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} hermitesch ist, gilt für

ψ ¯ L = ( P L ψ ) † γ 0 = ψ † P L † γ 0 = ψ † P L γ 0 = ψ † γ 0 P R = ψ ¯ P R {\displaystyle {\bar {\psi }}_{L}=(P_{L}\,\psi )^{\dagger }\gamma ^{0}=\psi ^{\dagger }P_{L}^{\dagger }\gamma ^{0}=\psi ^{\dagger }P_{L}\gamma ^{0}=\psi ^{\dagger }\gamma ^{0}P_{R}={\bar {\psi }}\,P_{R}} {\displaystyle {\bar {\psi }}_{L}=(P_{L}\,\psi )^{\dagger }\gamma ^{0}=\psi ^{\dagger }P_{L}^{\dagger }\gamma ^{0}=\psi ^{\dagger }P_{L}\gamma ^{0}=\psi ^{\dagger }\gamma ^{0}P_{R}={\bar {\psi }}\,P_{R}},

wobei ψ ¯ {\displaystyle {\bar {\psi }}} {\displaystyle {\bar {\psi }}} allgemein definiert wird als ψ ¯ = ψ † γ 0 {\displaystyle {\bar {\psi }}=\psi ^{\dagger }\gamma ^{0}} {\displaystyle {\bar {\psi }}=\psi ^{\dagger }\gamma ^{0}}. Die Änderung P L → P R {\displaystyle P_{L}\rightarrow P_{R}} {\displaystyle P_{L}\rightarrow P_{R}} ergibt sich aus der Vertauschung von γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} mit γ 0 {\displaystyle \gamma ^{0}} {\displaystyle \gamma ^{0}}. Da γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} mit γ 0 {\displaystyle \gamma ^{0}} {\displaystyle \gamma ^{0}} antikommutiert, ändert sich das Vorzeichen vor γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} im Projektionsoperator P L = 1 − γ 5 2 → P R = 1 + γ 5 2 {\displaystyle P_{L}={\frac {1-\gamma ^{5}}{2}}\rightarrow P_{R}={\frac {1+\gamma ^{5}}{2}}} {\displaystyle P_{L}={\frac {1-\gamma ^{5}}{2}}\rightarrow P_{R}={\frac {1+\gamma ^{5}}{2}}}. Ganz analog erhält man für ψ ¯ R = ψ ¯ P L {\displaystyle {\bar {\psi }}_{R}={\bar {\psi }}\,P_{L}} {\displaystyle {\bar {\psi }}_{R}={\bar {\psi }}\,P_{L}}.

Parität

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Wegen γ 0 γ 5 γ 0 = − γ 5 {\displaystyle \gamma ^{0}\gamma ^{5}\gamma ^{0}=-\gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{0}\gamma ^{5}\gamma ^{0}=-\gamma ^{5}} ändert ein Term, der γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} enthält, unter der Paritätstransformation sein Vorzeichen, es macht also aus Skalaren Pseudoskalare und aus Vektoren Pseudovektoren.

Allgemein folgen Größen, die man aus ψ ¯ = ψ † A = ψ † γ 0 {\displaystyle {\overline {\psi }}=\psi ^{\dagger }A=\psi ^{\dagger }\gamma ^{0}} {\displaystyle {\overline {\psi }}=\psi ^{\dagger }A=\psi ^{\dagger }\gamma ^{0}}, Gamma-Matrizen und einem eventuell von ψ {\displaystyle \psi } {\displaystyle \psi } verschiedenen Spinor χ {\displaystyle \chi } {\displaystyle \chi } zusammensetzt, einem Transformationsgesetz, das am Indexbild ablesbar ist. Es transformieren

  • ψ ¯ χ {\displaystyle {\overline {\psi }}\chi } {\displaystyle {\overline {\psi }}\chi } wie ein Skalar,
  • ψ ¯ γ μ χ {\displaystyle {\overline {\psi }}\gamma ^{\mu }\chi } {\displaystyle {\overline {\psi }}\gamma ^{\mu }\chi } wie die Komponenten eines Vierervektors,
  • ψ ¯ Σ μ ν χ {\displaystyle {\overline {\psi }}\Sigma ^{\mu \nu }\chi } {\displaystyle {\overline {\psi }}\Sigma ^{\mu \nu }\chi } wie die Komponenten eines Bivektors bzw. antisymmetrischen Tensors,
  • ψ ¯ γ μ γ 5 χ {\displaystyle {\overline {\psi }}\gamma ^{\mu }\gamma ^{5}\chi } {\displaystyle {\overline {\psi }}\gamma ^{\mu }\gamma ^{5}\chi } wie die Komponenten eines Vierer-Pseudovektors,
  • ψ ¯ γ 5 χ {\displaystyle {\overline {\psi }}\gamma ^{5}\chi } {\displaystyle {\overline {\psi }}\gamma ^{5}\chi } wie ein Pseudoskalar.

Feynman-Slash-Notation

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Richard Feynman erfand die nach ihm benannte Slash-Notation (auch Feynman-Dolch oder Feynman-Dagger). In dieser Notation wird das Skalarprodukt eines Lorentzvektors mit dem Vektor der Gamma-Matrizen ∑ μ = 0 3 γ μ A μ {\displaystyle \textstyle \sum _{\mu =0}^{3}\,\gamma ^{\mu }A_{\mu }} {\displaystyle \textstyle \sum _{\mu =0}^{3}\,\gamma ^{\mu }A_{\mu }} abgekürzt geschrieben als

A /   = d e f   ∑ μ = 0 3 γ μ A μ {\displaystyle A\!\!\!/\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ \sum _{\mu =0}^{3}\gamma ^{\mu }A_{\mu }} {\displaystyle A\!\!\!/\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ \sum _{\mu =0}^{3}\gamma ^{\mu }A_{\mu }}.

Dadurch kann z. B. die Dirac-Gleichung sehr übersichtlich geschrieben werden als

( i ∂ /   − m c ℏ ) ψ ( x ) = 0   , {\displaystyle {\Bigl (}\mathrm {i} \partial \!\!\!/\ -{\frac {mc}{\hbar }}{\Bigr )}\,\psi (x)=0\ ,} {\displaystyle {\Bigl (}\mathrm {i} \partial \!\!\!/\ -{\frac {mc}{\hbar }}{\Bigr )}\,\psi (x)=0\ ,}

oder in natürlichen Einheiten

( i ∂ /   − m ) ψ ( x ) = 0   . {\displaystyle {\Bigl (}\mathrm {i} \partial \!\!\!/\ -m{\Bigr )}\,\psi (x)=0\ .} {\displaystyle {\Bigl (}\mathrm {i} \partial \!\!\!/\ -m{\Bigr )}\,\psi (x)=0\ .}

Dirac-Darstellung

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In einer geeigneten Basis haben die Gamma-Matrizen die auf Dirac zurückgehende Form (verschwindende Matrixelemente nicht ausgeschrieben)

γ 0 = ( 1 1 − 1 − 1 ) , γ 1 = ( 1 1 − 1 − 1 ) , γ 2 = ( − i i i − i ) , γ 3 = ( 1 − 1 − 1 1 ) . {\displaystyle {\begin{array}{c c}\gamma ^{0}={\begin{pmatrix}1&&&\\&1&&\\&&-1&\\&&&-1\end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{1}={\begin{pmatrix}&&&1\\&&1&\\&-1&&\\-1&&&\end{pmatrix}}\,,\\\,&\,\\\gamma ^{2}={\begin{pmatrix}&&&-\mathrm {i} \\&&\mathrm {i} &\\&\mathrm {i} &&\\-\mathrm {i} &&&\end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{3}={\begin{pmatrix}&&1&\\&&&-1\\-1&&&\\&1&&\end{pmatrix}}\,.\end{array}}} {\displaystyle {\begin{array}{c c}\gamma ^{0}={\begin{pmatrix}1&&&\\&1&&\\&&-1&\\&&&-1\end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{1}={\begin{pmatrix}&&&1\\&&1&\\&-1&&\\-1&&&\end{pmatrix}}\,,\\\,&\,\\\gamma ^{2}={\begin{pmatrix}&&&-\mathrm {i} \\&&\mathrm {i} &\\&\mathrm {i} &&\\-\mathrm {i} &&&\end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{3}={\begin{pmatrix}&&1&\\&&&-1\\-1&&&\\&1&&\end{pmatrix}}\,.\end{array}}}

Diese Matrizen lassen sich kompakter mit Hilfe der Pauli-Matrizen schreiben (jeder Eintrag steht hier für eine 2 × 2 {\displaystyle 2\times 2} {\displaystyle 2\times 2}-Matrix):

γ 0 = ( 1 − 1 ) , γ i = ( σ i − σ i ) , i ∈ { 1 , 2 , 3 } , γ 5 = ( 1 1 ) . {\displaystyle \gamma ^{0}={\begin{pmatrix}1&\\&-1\end{pmatrix}}\,,\quad \gamma ^{i}={\begin{pmatrix}&\sigma ^{i}\\-\sigma ^{i}&\end{pmatrix}}\,,\;i\in \{1,2,3\}\,,\quad \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}&1\\1&\end{pmatrix}}\,.} {\displaystyle \gamma ^{0}={\begin{pmatrix}1&\\&-1\end{pmatrix}}\,,\quad \gamma ^{i}={\begin{pmatrix}&\sigma ^{i}\\-\sigma ^{i}&\end{pmatrix}}\,,\;i\in \{1,2,3\}\,,\quad \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}&1\\1&\end{pmatrix}}\,.}

Die Diracmatrizen lassen sich mit Hilfe des Kronecker-Produktes auch folgendermaßen generieren:

γ 0 = σ 3 ⊗ 1 , γ i = i σ 2 ⊗ σ i , i ∈ { 1 , 2 , 3 } , γ 5 = σ 1 ⊗ 1 . {\displaystyle \gamma ^{0}=\sigma ^{3}\otimes 1,\quad \gamma ^{i}=\mathrm {i} \sigma ^{2}\otimes \sigma ^{i},\;i\in \{1,2,3\},\quad \gamma ^{5}=\sigma ^{1}\otimes 1\,.} {\displaystyle \gamma ^{0}=\sigma ^{3}\otimes 1,\quad \gamma ^{i}=\mathrm {i} \sigma ^{2}\otimes \sigma ^{i},\;i\in \{1,2,3\},\quad \gamma ^{5}=\sigma ^{1}\otimes 1\,.}

Die Ladungskonjugationsmatrix ist in dieser Darstellung reell und antisymmetrisch

C D = i γ 2 γ 0 = − i σ 1 ⊗ σ 2 = ( 0 − i σ 2 − i σ 2 0 ) = ( 0     0     0 − 1 0     0     1     0 0 − 1     0     0 1     0     0     0 )   . {\displaystyle C_{D}=i\gamma ^{2}\gamma ^{0}=-i\sigma ^{1}\otimes \sigma ^{2}={\begin{pmatrix}0&-i\sigma ^{2}\\-i\sigma ^{2}&0\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&~~0&~~0&-1\\0&~~0&~~1&~~0\\0&-1&~~0&~~0\\1&~~0&~~0&~~0\end{pmatrix}}~.} {\displaystyle C_{D}=i\gamma ^{2}\gamma ^{0}=-i\sigma ^{1}\otimes \sigma ^{2}={\begin{pmatrix}0&-i\sigma ^{2}\\-i\sigma ^{2}&0\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&~~0&~~0&-1\\0&~~0&~~1&~~0\\0&-1&~~0&~~0\\1&~~0&~~0&~~0\end{pmatrix}}~.}

Weyl-Darstellung

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Die nach Hermann Weyl benannte Weyl-Darstellung heißt auch chirale Darstellung. In ihr ist γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} diagonal,

γ 5 = ( − 1 1 ) , P L = 1 − γ 5 2 = ( 1 0 ) , P R = 1 + γ 5 2 = ( 0 1 ) . {\displaystyle \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}-1&\\&1\end{pmatrix}}\,,\quad P_{L}={\frac {1-\gamma ^{5}}{2}}={\begin{pmatrix}1&\\&0\end{pmatrix}}\,,\quad P_{R}={\frac {1+\gamma ^{5}}{2}}={\begin{pmatrix}0&\\&1\end{pmatrix}}\,.} {\displaystyle \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}-1&\\&1\end{pmatrix}}\,,\quad P_{L}={\frac {1-\gamma ^{5}}{2}}={\begin{pmatrix}1&\\&0\end{pmatrix}}\,,\quad P_{R}={\frac {1+\gamma ^{5}}{2}}={\begin{pmatrix}0&\\&1\end{pmatrix}}\,.}

Im Vergleich zur Dirac-Darstellung werden γ 0 {\displaystyle \gamma ^{0}} {\displaystyle \gamma ^{0}} und γ 5 {\displaystyle \gamma ^{5}} {\displaystyle \gamma ^{5}} verändert, die räumlichen γ {\displaystyle \gamma } {\displaystyle \gamma }-Matrizen bleiben unverändert:

γ 0 = ( 1 1 ) , γ i = ( σ i − σ i ) , γ 5 = ( − 1 1 ) . {\displaystyle \gamma ^{0}={\begin{pmatrix}&1\\1&\end{pmatrix}}\,,\quad \gamma ^{i}={\begin{pmatrix}&\sigma ^{i}\\-\sigma ^{i}&\end{pmatrix}}\,,\quad \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}-1&\\&1\end{pmatrix}}.} {\displaystyle \gamma ^{0}={\begin{pmatrix}&1\\1&\end{pmatrix}}\,,\quad \gamma ^{i}={\begin{pmatrix}&\sigma ^{i}\\-\sigma ^{i}&\end{pmatrix}}\,,\quad \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}-1&\\&1\end{pmatrix}}.}

Die Weyldarstellung ergibt sich durch einen unitären Basiswechsel aus der Dirac-Darstellung,

γ Weyl μ = U γ Dirac μ U − 1  mit  U = 1 2 ( 1 − 1 1 1 ) ,   U − 1 = U † = 1 2 ( 1 1 − 1 1 ) . {\displaystyle \gamma _{\text{Weyl}}^{\mu }=U\,\gamma _{\text{Dirac}}^{\mu }U^{-1}{\text{ mit }}U={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1&-1\\1&1\end{pmatrix}},\ U^{-1}=U^{\dagger }={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix}}\,.} {\displaystyle \gamma _{\text{Weyl}}^{\mu }=U\,\gamma _{\text{Dirac}}^{\mu }U^{-1}{\text{ mit }}U={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1&-1\\1&1\end{pmatrix}},\ U^{-1}=U^{\dagger }={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix}}\,.}

Spinortransformationen transformieren in der Weyl-Basis die ersten beiden und die letzten beiden Komponenten des Dirac-Spinors getrennt.

Die Ladungskonjugationsmatrix ist bei dieser Darstellung ebenfalls reell und antisymmetrisch

C W = U C D U T = i γ 2 γ 0 = ( i σ 2 0 0 − i σ 2 ) {\displaystyle C_{W}=UC_{D}U^{\text{T}}=i\gamma ^{2}\gamma ^{0}={\begin{pmatrix}i\sigma ^{2}&0\\0&-i\sigma ^{2}\end{pmatrix}}} {\displaystyle C_{W}=UC_{D}U^{\text{T}}=i\gamma ^{2}\gamma ^{0}={\begin{pmatrix}i\sigma ^{2}&0\\0&-i\sigma ^{2}\end{pmatrix}}}.

Die chirale Darstellung ist von besonderer Bedeutung in der Weyl-Gleichung, der masselosen Dirac-Gleichung.

Majorana-Darstellung

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In der Majorana-Darstellung sind alle Gamma-Matrizen imaginär. Die Dirac-Gleichung ist bei dieser Darstellung ein reelles Differentialgleichungssystem,

γ 0 = ( − σ 2 − σ 2 ) , γ 1 = ( i σ 3 i σ 3 ) , γ 2 = ( i − i ) , γ 3 = ( − i σ 1 − i σ 1 ) , γ 5 = ( i − i ) . {\displaystyle {\begin{aligned}\gamma ^{0}&={\begin{pmatrix}&-\sigma ^{2}\\-\sigma ^{2}&\end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{1}&={\begin{pmatrix}&\mathrm {i} \sigma ^{3}\\\mathrm {i} \sigma ^{3}&\end{pmatrix}}\,,&\\&\,&&\\\gamma ^{2}&={\begin{pmatrix}\mathrm {i} &\\&-\mathrm {i} \end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{3}&={\begin{pmatrix}&-\mathrm {i} \sigma ^{1}\\-\mathrm {i} \sigma ^{1}&\end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{5}&={\begin{pmatrix}&\mathrm {i} \\-\mathrm {i} &\end{pmatrix}}\,.\end{aligned}}} {\displaystyle {\begin{aligned}\gamma ^{0}&={\begin{pmatrix}&-\sigma ^{2}\\-\sigma ^{2}&\end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{1}&={\begin{pmatrix}&\mathrm {i} \sigma ^{3}\\\mathrm {i} \sigma ^{3}&\end{pmatrix}}\,,&\\&\,&&\\\gamma ^{2}&={\begin{pmatrix}\mathrm {i} &\\&-\mathrm {i} \end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{3}&={\begin{pmatrix}&-\mathrm {i} \sigma ^{1}\\-\mathrm {i} \sigma ^{1}&\end{pmatrix}}\,,&\gamma ^{5}&={\begin{pmatrix}&\mathrm {i} \\-\mathrm {i} &\end{pmatrix}}\,.\end{aligned}}}

Literatur

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  • James Bjorken, Sidney Drell: Relativistische Quantenmechanik, BI-Wissenschaftsverlag, Mannheim, 1990, (BI-Hochschultaschenbuch Band 98), ISBN 3-411-00098-8
  • Michael Peskin, Daniel V. Schroeder: An Introduction to Quantum Field Theory, Addison-Wesley Publishing Co., New York, 1995, ISBN 0-201-50397-2
  • Josef-Maria Jauch, Fritz Rohrlich: The theory of photons and electrons, Addison-Wesley Publishing Co., New York, 1955
  • Ferdinando Gliozzi, Joel Sherk, David Olive: Supersymmetry, Supergravity Theories and the Dual Spinor Model, Nucl. Phys. B122, 253–290, 1977. (Dirac-Algebra in höheren Dimensionen)
  • Franz Schwabl: Quantenmechanik für Fortgeschrittene (QM II), Springer, Heidelberg, ISBN 978-3-540-85076-2
Abgerufen von „https://de.teknopedia.teknokrat.ac.id/w/index.php?title=Dirac-Matrizen&oldid=260804229“
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