group theory in particle physics

22
Group Theory in Particle Physics Joshua Albert Phy 205 http://en.wikipedia.org/wiki/Image:E8_graph.svg

Upload: others

Post on 12-Sep-2021

6 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Group Theory in Particle Physics

Group Theory in Particle PhysicsJoshua Albert

Phy 205

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:E8_graph.svg

Page 2: Group Theory in Particle Physics

Where Did it Come From?

Group Theory has it's origins in:

● Algebraic Equations

● Number Theory

● Geometry

Some major early contributers were Euler, 

Gauss, Lagrange, Abel, and Galois.

Page 3: Group Theory in Particle Physics

What is a group?● A group is a collection of objects with an 

associated operation.● The group can be finite or infinite (based on 

the number of elements in the group.● The following four conditions must be 

satisfied for the set of objects to be a group...

Page 4: Group Theory in Particle Physics

1: Closure● The group operation must associate any pair 

of elements T and T' in group   G with another element T'' in G.  This operation is the group multiplication operation, and so we write:–  T T' = T''– T, T', T'' all in G.

● Essentially, the product of any two group elements is another group element.

Page 5: Group Theory in Particle Physics

2: Associativity● For any T, T', T'' all in G, we must have:

– (T T') T'' = T (T' T'')

● Note that this does not imply:– T T' = T' T

– That is commutativity, which is not a 

fundamental group property

Page 6: Group Theory in Particle Physics

3: Existence of Identity● There must exist an identity element I in a 

group G such that:–  T I = I T = T

● For every T in G.

Page 7: Group Theory in Particle Physics

4: Existence of Inverse● For every element T in G there must exist an 

inverse element T ­1 such that:

– T T ­1 = T ­1 T = I

● These four properties can be satisfied by many types of objects, so let's go through some examples...

Page 8: Group Theory in Particle Physics

Some Finite Group Examples:● Parity

– Representable by {1, ­1}, {+,­}, {even, odd}– Clearly an important group in particle physics

● Rotations of an Equilateral Triangle– Representable as ordering of vertices: {ABC, 

ACB, BAC, BCA, CAB, CBA}– Can also be broken down into subgroups: proper 

rotations and improper rotations● The Identity alone (smallest possible group).

Page 9: Group Theory in Particle Physics

Some infinite Group Examples:● The set of integers under addition● The set of real numbers under addition or 

multiplication● The set of all real 3­vectors under addition● The set of all rotations in 3­space

– Can be broken into the set of proper rotations and improper rotations

Page 10: Group Theory in Particle Physics

Abelian vs. Non­Abelian● An abelian group is a group where all the 

group elements commute.  That is:– T T' = T' T for all T, T' in G

● A non­abelian group has elements which do not necessarily commute.  Of the previous examples, only the rotations in 3­space group was non­abelian.

● Most of the really interesting groups are non­abelian.

Page 11: Group Theory in Particle Physics

Representations● To make groups more manageable, and to 

see relations between group, we can assign each element in a group an n x   n matrix to  

represent it.● These matrices must have the same 

multiplication relations as the original group elements had.

● It is possible for one group to have more than one representation.

Page 12: Group Theory in Particle Physics

An Example● A representation (far from the only one) of 

the equilateral triangle symmetry group is shown below.

Page 13: Group Theory in Particle Physics

Lie Groups● Lie Groups are 

continuous groups whose elements are described by one or more smooth parameters (differentiable manifold). Sophus Lie, with his beard

http://en.wikipedia.org/wiki/Sophus_Lie

Page 14: Group Theory in Particle Physics

Lie Group Examples● Rotations in 3­space

– Described by 3 parameters: Euler Angles are one possibility.

– Equivalent to the group O(3), of all orthogonal    3 x 3 matrices.

– Non abelian.● Translations in Euclidean Space

– An abelian group, represented by x, y, z.

Page 15: Group Theory in Particle Physics

More Lie Group Examples● Lorentz Group

– Group of all rotations and Lorentz boosts– Parameterized by 3 rotation parameters, 3 boost 

parameters.● SO(n)

– Group of all orthogonal n x n matrices of determinant 1

● SU(n)– Group of all unitary n x n matrices with det = 1

Page 16: Group Theory in Particle Physics

Lie Algebras● Lie Algebras are the generators of Lie 

groups.● The Algebras represent what is effectively an 

infinitesimal transformation.● By exponentiating the representations of the 

algebras, we generate group elements.● These Lie Algebras do not necessarily form a 

group!

Page 17: Group Theory in Particle Physics

Example: SU(2)● Initially a 2 x 2 complex matrix has 8 degrees 

of freedom.

● The conditions UU†=I and Det(U)=1 reduce this to three free parameters. The three generators are the Pauli matrices.

Page 18: Group Theory in Particle Physics

Approximate SU(3)...● SU(3) has generators 

which can be given by the eight Gell­Mann matrices.

● Around 1960, physicists struggled to categorize the new particles...

Page 19: Group Theory in Particle Physics

Flavor!

● Each particle corresponds to one Algebra!

Page 20: Group Theory in Particle Physics

Group Theory Success!● In 1962, Murray Gell­Mann predicted  the 

existence of the ● In 1964, a 

particle with the predicted properties was discovered.

Page 21: Group Theory in Particle Physics

And Beyond...● The strong force is associated with SU(3), 

the gluons correspond to SU(3) algebras...

● The electroweak interaction is united under U(1)⊕SU(2).

● Perhaps a grander unification?

Page 22: Group Theory in Particle Physics

References from the paper