BRST квантование - BRST quantization
В теоретическая физика, то БРСТ формализм, или же BRST квантование (где BRST относится к Бекки, Руэ, Stora и Тютин ) обозначает относительно строгий математический подход к квантование а теория поля с калибровочная симметрия. Квантование правила ранее квантовая теория поля (QFT) структуры напоминали «рецепты» или «эвристику» больше, чем доказательства, особенно в неабелев QFT, где использование "призрачные поля "с внешне причудливыми свойствами почти неизбежно по техническим причинам, связанным с перенормировка и отмена аномалии.
BRST global суперсимметрия введенные в середине 1970-х годов, быстро поняли, что рационализировали введение этих Призраки Фаддеева – Попова и их исключение из «физических» асимптотических состояний при выполнении вычислений QFT. Важно отметить, что эта симметрия интеграла по путям сохраняется в порядке цикла и, таким образом, предотвращает введение контрчленов, которые могут испортить перенормируемость калибровочных теорий. Работа других авторов несколько лет спустя связала оператор BRST с существованием строгой альтернативы интегралы по путям при квантовании калибровочной теории.
Только в конце 1980-х, когда QFT была переформулирована в пучок волокон язык для приложения к проблемам в топология низкоразмерных многообразий (топологическая квантовая теория поля ), стало ли очевидным, что БРСТ "преобразование" носит принципиально геометрический характер. В этом свете «BRST-квантование» становится больше, чем альтернативным способом достижения призраков, устраняющих аномалии. Это другой взгляд на то, что представляют собой призрачные поля, почему работает метод Фаддеева – Попова и как он связан с использованием Гамильтонова механика построить пертурбативный каркас. Отношения между калибровочная инвариантность а «БРСТ-инвариантность» заставляет выбирать гамильтонову систему, состояния которой состоят из «частиц» в соответствии с правилами, известными из каноническое квантование формализм. Это условие эзотерической согласованности очень близко подходит к объяснению того, как кванты и фермионы возникают в физике с самого начала.
В некоторых случаях, особенно сила тяжести и супергравитация, BRST должен быть заменен более общим формализмом, Формализм Баталина – Вилковиского.
Техническое резюме
BRST-квантование - это дифференциально-геометрический подход к выполнению последовательного, аномалия -свободный пертурбативные вычисления в неабелев калибровочная теория. Аналитическая форма "преобразования" БРСТ и ее актуальность для перенормировка и отмена аномалии были описаны Карло Мария Бекки, Ален Руэ, и Раймонд Стора в серии статей, завершившихся в 1976 г. «Перенормировкой калибровочных теорий». Эквивалентное преобразование и многие его свойства были независимо открыты Игорь Викторович Тютин. Его значение для строгих каноническое квантование из Теория Янга – Миллса и его правильное применение к Пространство фока мгновенных конфигураций поля были выяснены Тайчиро Куго и Идзуми Одзима. Более поздние работы многих авторов, особенно Томаса Шюккера и Эдвард Виттен, прояснил геометрическое значение оператора BRST и связанных полей и подчеркнул его важность для топологическая квантовая теория поля и теория струн.
В подходе BRST выбирается удобный для возмущения крепление датчика процедура для принцип действия калибровочной теории с использованием дифференциальная геометрия из пучок датчиков на котором живет теория поля. Один тогда квантует теория для получения Гамильтонова система в картинка взаимодействия таким образом, что "нефизические" поля, вводимые процедурой фиксации калибровки, разрешают калибровочные аномалии не входя в асимптотику состояния теории. В результате получается набор Правила Фейнмана для использования в Серия Дайсон пертурбативное расширение из S-матрица которые гарантируют, что это унитарный и перенормируемый на каждом порядок цикла - вкратце, техника когерентной аппроксимации для физических предсказаний результатов эксперименты по рассеянию.
Классический БРСТ
Это связано с суперсимплектический многообразие где чистые операторы градуированы интегралами числа призраков и у нас есть BRST когомология.
Калибровочные преобразования в КТП
С практической точки зрения квантовая теория поля состоит из принцип действия и набор процедур для выполнения пертурбативные вычисления. Существуют и другие виды «проверок работоспособности», которые могут быть выполнены в квантовой теории поля, чтобы определить, соответствует ли она качественным явлениям, таким как удержание кварка и асимптотическая свобода. Однако большинство предсказательных успехов квантовой теории поля от квантовая электродинамика до настоящего времени были определены количественно путем сопоставления S-матрица расчеты по результатам рассеяние эксперименты.
В первые дни QFT можно было бы сказать, что квантование и перенормировка рецепты были такой же частью модели, как и Плотность лагранжиана, особенно когда они полагались на мощные, но математически неточно определенные формализм интеграла по путям. Быстро стало ясно, что QED был почти «волшебным» в своей относительной управляемости, и что большинство способов, которые можно было вообразить для его расширения, не дадут рациональных расчетов. Однако один класс полевых теорий оставался многообещающим: калибровочные теории, в котором объекты теории представляют классы эквивалентности физически неразличимых конфигураций поля, любые две из которых связаны калибровочное преобразование. Это обобщает идею QED о местное изменение фазы к более сложному Группа Ли.
КЭД сама по себе является калибровочной теорией, как и общая теория относительности, хотя последний оказался устойчивым к квантованию по причинам, связанным с перенормировкой. Другой класс калибровочных теорий с неабелева группа датчиков, начиная с Теория Янга – Миллса, стал поддающимся квантованию в конце 1960-х - начале 1970-х годов, во многом благодаря работе Людвиг Д. Фаддеев, Виктор Попов, Брайс ДеВитт, и Герардус т Хофт. Однако до появления метода BRST работать с ними было очень сложно. Метод BRST предоставил методы вычислений и доказательства перенормируемости, необходимые для извлечения точных результатов как из "несломленных" теорий Янга – Миллса, так и из теорий, в которых Механизм Хиггса приводит к спонтанное нарушение симметрии. Представители этих двух типов систем Янга – Миллса -квантовая хромодинамика и электрослабая теория - появляются в Стандартная модель из физика элементарных частиц.
Доказать, что существование неабелевой квантовой теории поля в строгом смысле, чем получение точных предсказаний с использованием полуэвристических схем вычислений. Это связано с тем, что для анализа квантовой теории поля требуются две математически взаимосвязанные точки зрения: Лагранжева система на основе функционал действия, состоящий из поля с различными значениями в каждой точке пространства-времени и местные операторы которые действуют на них, и Гамильтонова система в Картина Дирака, состоящий из состояния которые характеризуют всю систему в данный момент времени и полевые операторы которые действуют на них. Что делает это настолько трудным в калибровочной теории, так это то, что объекты теории на самом деле не являются локальными полями в пространстве-времени; они есть правоинвариантный местные поля на основной калибровочный пучок, и разные местные разделы через часть калибровочного пучка, связанного с пассивный преобразования, производят различные картины Дирака.
Более того, описание системы в целом в терминах набора полей содержит множество избыточных степеней свободы; различные конфигурации теории классы эквивалентности конфигураций полей, так что два описания, которые связаны друг с другом калибровочным преобразованием, на самом деле являются одной и той же физической конфигурацией. «Решения» квантованной калибровочной теории существуют не в простом пространстве полей со значениями в каждой точке пространства-времени, а в некотором пространстве. факторное пространство (или же когомология ), элементами которого являются классы эквивалентности конфигураций полей. В формализме БРСТ скрывается система параметризации вариаций, связанных со всеми возможными активными калибровочными преобразованиями, и правильного учета их физической несущественности во время преобразования лагранжевой системы в гамильтонову.
Калибровочная фиксация и теория возмущений
Принцип калибровочная инвариантность необходим для построения работоспособной квантовой теории поля. Но, как правило, невозможно выполнить пертурбативное вычисление в калибровочной теории без предварительной «фиксации калибровки» - добавления членов к Плотность лагранжиана принципа действия, который «нарушает калибровочную симметрию» для подавления этих «нефизических» степеней свободы. Идея крепление датчика возвращается к Датчик Лоренца подход к электромагнетизму, который подавляет большую часть избыточных степеней свободы в четырехпотенциальный сохраняя манифест Лоренц-инвариантность. Калибровка Лоренца является большим упрощением по сравнению с подходом Максвелла к измерению напряженности поля. классическая электродинамика, и иллюстрирует, почему полезно иметь дело с избыточными степенями свободы в представление объектов теории на лагранжевой стадии, прежде чем перейти к Гамильтонова механика через Превращение Лежандра.
Плотность гамильтониана связана с производной Ли плотности лагранжиана по единичному времениподобному горизонтальному векторному полю на калибровочном расслоении. В квантовомеханическом контексте это обычно масштабируется с коэффициентом . Интегрирование его по частям в пространственноподобном поперечном сечении восстанавливает форму подынтегрального выражения, знакомую по каноническое квантование. Поскольку определение гамильтониана включает единичное векторное поле времени в базовом пространстве, горизонтальный подъем к пространству расслоения, а пространственноподобная поверхность "нормальная" (в Метрика Минковского ) к единичному векторному полю времени в каждой точке базового многообразия, оно зависит как от связь и выбор Лоренца Рамка, и это далеко не глобальное определение. Но это существенный компонент пертурбативной структуры квантовой теории поля, в которую квантованный гамильтониан входит через Серия Дайсон.
Для пертурбативных целей мы собираем конфигурацию всех полей нашей теории на всем трехмерном горизонтальном пространственноподобном сечении п в один объект ( Состояние Фока ), а затем описать "эволюцию" этого состояния во времени с помощью картинка взаимодействия. В Пространство фока охватывает многочастичные собственные состояния части "невозмущенной" или "невзаимодействующей" из Гамильтониан . Следовательно, мгновенное описание любого фоковского состояния представляет собой взвешенную по комплексной амплитуде сумму собственных состояний . В картине взаимодействия мы связываем фоковские состояния в разное время, предписывая, чтобы каждое собственное состояние невозмущенного гамильтониана испытывало постоянную скорость вращения фазы, пропорциональную его энергия (соответствующий собственное значение невозмущенного гамильтониана).
Следовательно, в нулевом приближении набор весов, характеризующих фоковское состояние, не изменяется со временем, но соответствующая конфигурация поля изменяется. В более высоких приближениях веса также меняются; коллайдер эксперименты в физика высоких энергий сводятся к измерениям скорости изменения этих весов (или, скорее, их интегралов по распределениям, представляющим неопределенность в начальных и конечных условиях события рассеяния). Серия Dyson отражает эффект несоответствия между и истинный гамильтониан , в виде степенного ряда по константа связи грамм; это основной инструмент для получения количественных предсказаний на основе квантовой теории поля.
Чтобы использовать ряд Дайсона для вычисления чего-либо, нужно нечто большее, чем калибровочно-инвариантная плотность лагранжиана; также необходимы предписания по квантованию и фиксации калибра, которые входят в Правила Фейнмана теории. Ряд Дайсона дает бесконечные интегралы различных видов, когда применяется к гамильтониану конкретной КТП. Частично это связано с тем, что все используемые на сегодняшний день квантовые теории поля необходимо учитывать. эффективные теории поля, описывая только взаимодействия в определенном диапазоне масштабов энергии, которые мы можем исследовать экспериментально и, следовательно, уязвимы для ультрафиолетовые расхождения. Это приемлемо, если с ними можно справиться стандартными методами перенормировка; они не столь терпимы, когда они приводят к бесконечной серии бесконечных перенормировок или, что еще хуже, к явно нефизическому предсказанию, такому как неотмененный калибровочная аномалия. Между перенормируемостью и калибровочной инвариантностью существует глубокая взаимосвязь, которая легко теряется в ходе попыток получить поддающиеся обработке правила Фейнмана, фиксируя калибровку.
Pre-BRST подходы к креплению датчиков
Традиционные предписания по установке калибра сплошная электродинамика выберите уникального представителя из каждого класса эквивалентности, связанного с калибровочным преобразованием, используя уравнение связи такой как Датчик Лоренца . Такой рецепт можно применить к Абелева калибровочная теория Такие как QED, хотя это приводит к некоторым затруднениям в объяснении того, почему Идентификаторы прихода классической теории переносятся на квантовую теорию - другими словами, почему Диаграммы Фейнмана содержащие внутренние продольно поляризованный виртуальные фотоны не способствовать S-матрица расчеты. Этот подход также не подходит для неабелевы калибровочные группы такие как СУ (2) Янга – Миллса и электрослабая теория и SU (3) квантовая хромодинамика. Он страдает от Грибовские двусмысленности и от трудности определения ограничения, фиксирующего калибровку, которое в некотором смысле «ортогонально», к физически значимым изменениям в конфигурации поля.
Более сложные подходы не пытаются применить дельта-функция ограничение на степени свободы калибровочного преобразования. Вместо «привязки» калибровки к определенной «поверхности связи» в конфигурационном пространстве, можно нарушить калибровочную свободу с помощью дополнительного, не калибровочно-инвариантного члена, добавленного к плотности лагранжиана. Чтобы воспроизвести успехи фиксации калибровки, этот член выбран минимальным для выбора калибровки, который соответствует желаемому ограничению, и квадратично зависящим от отклонения датчика от поверхности ограничения. Посредством приближение стационарной фазы на котором Интеграл по путям Фейнмана Основанная на теории возмущений, преобладающий вклад в пертурбативные вычисления будет вноситься конфигурациями поля в окрестности ограничивающей поверхности.
Пертурбативное разложение, связанное с этим лагранжианом, с использованием метода функциональное квантование, обычно называют рξ измерять. В случае абелевой U (1) калибровки он сводится к тому же множеству Правила Фейнмана что получается методом каноническое квантование. Но есть важное отличие: нарушенная калибровочная свобода появляется в функциональный интеграл как дополнительный фактор в общей нормализации. Этот фактор может быть извлечен из пертурбативного разложения (и проигнорирован) только тогда, когда вклад в лагранжиан возмущения вдоль калибровочных степеней свободы не зависит от конкретной «физической» конфигурации поля. Это условие не выполняется для неабелевых калибровочных групп. Если игнорировать проблему и попытаться использовать правила Фейнмана, полученные в результате «наивного» функционального квантования, можно обнаружить, что его вычисления содержат неустранимые аномалии.
Проблема пертурбативных расчетов в КХД решалась введением дополнительных полей, известных как Призраки Фаддеева – Попова, чей вклад в лагранжиан с фиксированной калибровкой компенсирует аномалию, вызванную взаимодействием «физических» и «нефизических» возмущений неабелевого калибровочного поля. С точки зрения функционального квантования, «нефизические» возмущения конфигурации поля (калибровочные преобразования) образуют подпространство пространства всех (бесконечно малых) возмущений; в неабелевом случае вложение этого подпространства в большее пространство зависит от конфигурации, вокруг которой происходит возмущение. Призрачный член в лагранжиане представляет собой функциональный детерминант из Якобиан этого вложения, а свойства фантомного поля продиктованы показателем степени, требуемым на определителе, чтобы исправить функциональная мера на остальных «физических» осях возмущения.
Математический подход к BRST
Конструкция BRST применима к ситуации гамильтоново действие компактной связной группы Ли грамм на фазовое пространство M.[1][2] Позволять быть алгеброй Ли грамм и регулярное значение карта моментов . Позволять . Предположим, что грамм-действие на M0 свободно и правильно, и рассмотрите пространство из грамм-орбит на M0, который также известен как Симплектическое сокращение частное .
Во-первых, используя регулярную последовательность функций, определяющих M0 внутри M, построить Кошульский комплекс
Дифференциал δ на этом комплексе является нечетным C∞(M) -линейный вывод градуированной C∞(M)-алгебра . Это нечетное дифференцирование определяется расширением гомоморфима алгебры Ли из гамильтоново действие. Получившийся комплекс Кошул является комплексом Кошул -модуль C∞(M), куда симметрическая алгебра , а структура модуля происходит от гомоморфизма колец вызванный гамильтоново действие .
Этот Кошульский комплекс резолюция -модуль , т.е.