¿Cómo se puede encontrar el grupo de simetría de un Lagrangiano?

Pido disculpas de antemano por mi inglés básico, pero me gustaría saber si hay una regla, un libro o en general alguna forma para determinar las simetrías internas, las simetrías de calibre o todas las simetrías de una densidad lagrangiana. Sé que existe el teorema de Noether que me dará la corriente conservada de la simetría dada, pero mi problema es a priori: ¿cómo puedo encontrar la simetría interna más grande de un Lagrangiano dado? Como quiero ser más claro, puedo darte un ejemplo. Supongamos que tengo dos campos reales ϕ 1 y ϕ 2 tal que el lagrangiano es

L ( ϕ 1 , ϕ 2 ) = 1 2 m ϕ 1 m ϕ 1 + 1 2 m ϕ 2 m ϕ 2 3 4 METRO 2 ( ϕ 1 2 + ϕ 2 2 ) 1 2 METRO 2 ϕ 1 ϕ 2

Si te pregunto cuál es el grupo de simetría de este Lagrangiano, ¿qué me dirías?

Al mismo tiempo, puedo diagonalizar la matriz de masa y puedo definir nuevos campos

ϕ METRO 2 = ϕ 2 ϕ 1 2 ϕ 2 METRO 2 = ϕ 1 + ϕ 2 2

donde, si hice bien el cálculo, me dará una densidad lagrangiana como

L 2 ( ϕ METRO 2 , ϕ 2 METRO 2 ) = 1 2 m ϕ METRO 2 m ϕ METRO 2 + 1 2 m ϕ 2 METRO 2 m ϕ 2 METRO 2 1 2 [ ( 2 METRO 2 ) ϕ 2 METRO 2 2 + METRO 2 ϕ 2 METRO 2 2 ) ]

que es un Lagrangiano de dos campos de Klein-Gordon. Esta definición es una rotación de 45 ° de los campos, ¿significa esto que el lagrangiano es invariante bajo SO(2)? Si la masa de los campos es la misma, el segundo lagrangiano puede verse como la densidad lagrangiana de Klein Gordon de un doblete

Φ = ( ϕ 1 ϕ 2 ) ?

¿Es entonces esto último un ejemplo de un invariante lagrangiano bajo SO(2)?

Lo último: si tengo un Lagrangiano genérico:

L 3 ( ϕ 1 , , ϕ norte ) = i , j = 1 norte ( 1 2 k i j m ϕ i m ϕ j METRO i j ϕ i ϕ j ) V ( ϕ i )

dónde k i j y METRO i j son matrices constantes simétricas reales; k i j es matriz definida positiva no singular. ¿Cuál es la mayor simetría interna del término cinético? ¿Cuál es la forma de METRO i j tal que el término de masa es invariante bajo este grupo GRAMO ?

Espero que estos tres ejemplos te ayuden a entender lo que quiero decir y lo que me gustaría que me respondieran. Si hay una referencia, un libro de texto o cualquier cosa que pueda ayudarme a entender cómo lidiar con este tipo de preguntas, realmente lo aprecio.

Respuestas (1)

Así que realmente tienes dos preguntas estrechamente relacionadas aquí. Comencemos con el más fácil. Escribiste el Lagrangiano

L ( ϕ 1 , ϕ 2 ) = 1 2 m ϕ 1 m ϕ 1 + 1 2 m ϕ 2 m ϕ 2 3 4 METRO 2 ( ϕ 1 2 + ϕ 2 2 ) 1 2 METRO 2 ϕ 1 ϕ 2

Y preguntó por el grupo de simetría. Puedo ver que los primeros tres términos tienen un S O ( 2 ) simetría, pero esta simetría se rompe por la ϕ 1 ϕ 2 término cruzado. Has hecho un cambio de variables,

ϕ METRO 2 = ϕ 2 ϕ 1 2 , ϕ 2 METRO 2 = ϕ 1 + ϕ 2 2 ,

lo que hace más evidente este hecho. El lagrangiano se convierte en

L 2 ( ϕ METRO 2 , ϕ 2 METRO 2 ) = 1 2 m ϕ METRO 2 m ϕ METRO 2 + 1 2 m ϕ 2 METRO 2 m ϕ 2 METRO 2 1 2 [ ( 2 METRO 2 ) ϕ 2 METRO 2 2 + METRO 2 ϕ 2 METRO 2 2 ) ]

y tiene razón en que, si los campos diagonalizados tuvieran masas iguales, entonces habría un S O ( 2 ) simetría. Si trabaja hacia atrás a través de su cambio de variables, debe encontrar que los campos diagonales tienen masas iguales si y solo si el ϕ 1 ϕ 2 término había desaparecido en primer lugar.

Ahora veamos tu Lagrangiano más general:

L 3 ( ϕ 1 , , ϕ norte ) = i , j = 1 norte ( 1 2 k i j m ϕ i m ϕ j METRO i j ϕ i ϕ j ) V ( ϕ i )

Desde k i j es real y simétrico, puede ser diagonalizado por una matriz ortogonal. Finalmente, al cambiar la escala de los campos, puede establecer k i j = d i j para darte el término cinético estándar. Este término por sí solo es S O ( norte ) invariante.

La pregunta que queda es, después de hacer esta redefinición de campo, ¿qué significa METRO i j ¿parece? Como el término cinético es ahora S O ( norte ) invariante, y METRO i j es simétrico, también podemos diagonalizar METRO i j . Sin embargo, no podemos hacer más cambios de escala, por lo que el nuevo Lagrangiano, escrito en términos de campos propios de masas, genéricamente tendrá campos con diferentes masas. Si todas las masas son diferentes, entonces todas las S O ( norte ) se rompe la simetría. Si algunas masas son iguales, entonces sus multiplicidades pueden dejarle un residuo S O ( k ) × S O ( ) × , etc.

Editado para agregar: también debe observar las simetrías de su potencial V ( ϕ ) , ¡lo que puede romper aún más la simetría!

Creo que ha respondido correctamente a mis ejemplos, pero ahora tengo otra curiosidad: si alguien le da un Lagrangiano (por ejemplo, la densidad del Lagrangiano del Modelo Estándar), ¿hay alguna manera de ver y enumerar todas las simetrías internas con solo mirar? ¿él? Quiero decir, dado que un Lagrangiano es solo prueba y error para todas las posibles simetrías que se te ocurran y luego la experiencia te dará la respuesta correcta o ¿hay una forma sistemática de enumerarlas todas?
Si alguien le da un Lagrangiano donde aún no lo han organizado de una manera que hace que las simetrías sean obvias, entonces puede ser bastante difícil y no hay una forma sistemática. ¡Piense en lo poco obvia que sería una simetría de calibre simple, si se escribiera! (Para más diversión, escríbalo en una base no estándar del álgebra de Lie, tendrá un verdadero dolor de cabeza al reconstruirlo).
Además, considere algo como el problema de Kepler. Tiene una simetría "oculta", el vector de Laplace-Runge-Lenz, que definitivamente no es obvio al mirarlo.