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Rarita-Schwinger-Gleichung



In der theoretischen Physik ist die Rarita-Schwinger Gleichung eine relativistische Feldgleichung für Spin-3/2-Fermionen. Sie ist ähnlich aufgebaut wie die Dirac-Gleichung für Spin-1/2-Fermionen und kann aus dieser hergeleitet werden. Sie wurde erstmals 1941 von William Rarita und Julian Schwinger formuliert und veröffentlicht. In einer modernen Notation wird sie folgendermaßen angeschrieben:

\epsilon^{\mu \nu \rho \sigma} \gamma^5 \gamma_\nu \partial_\rho \psi_\sigma + m\psi^\mu = 0

Weiteres empfehlenswertes Fachwissen

Dabei ist εμνρσ das Levi-Civita-Symbol. γ5 und γν sind dabei die üblichen Dirac-Matrizen. m ist die Ruhemasse und ψμ ist ein vektorwertiger Spinor. μ = 0,1,2,3 ist ein Lorentz-Index und ψμ besteht damit aus insgesamt 16 komplexwertigen Funktionen. Dies entspricht der \left(\frac{1}{2},\frac{1}{2}\right)\otimes \left(\left(\frac{1}{2},0\right)\oplus \left(0,\frac{1}{2}\right)\right) Darstellung der Lorentz-Gruppe. Diese Darstellung ist isomorph zur Untergruppe \left(1,\frac{1}{2}\right) \oplus \left(\frac{1}{2},1 \right).

Die Feldgleichung kann formal aus der folgenden Lagrange-Dichte durch Variation der unabhängigen Felder Reμ) und Imμ) hergeleitet werden:

\mathcal{L}=\frac{1}{2} \epsilon^{\mu \nu \rho \sigma} \bar{\psi}_\mu \gamma^5 \gamma_\nu \partial_\rho \psi_\sigma - m \bar{\psi}_\mu \psi^\mu

Dabei bezeichnet \bar{\psi}_\mu den adjungierten Spinor zu ψμ. Wie in der Dirac-Gleichung kann die Wechselwirkung mit einem elektromagnetischen Feld durch die minimale, eichinvariante Kopplung:

\partial_\mu \rightarrow D_\mu = \partial_\mu - i e A_\mu

berücksichtigt werden. Die Rarita-Schwinger-Gleichung hat für Teilchen mit Ruhemasse 0 eine Eichsymmetrie bezüglich der Eichtransformation \psi_\mu \rightarrow \psi_\mu + \partial_\mu \epsilon. Dabei ist \mathcal{\epsilon} ein frei wählbares, komplexes Eichfeld.

Von der Rarita-Schwinger-Gleichung existieren auch Weyl- und Majorana-Darstellungen, die sich bezüglich der physikalischen Ergebnisse nicht von der Originalgleichung unterscheiden. Sie wird gewöhnlich dazu benutzt zusammengesetzte Teilchen, wie das Delta (Δ) Baryon zu beschreiben und zu untersuchen. Manchmal wird diese Gleichung auch für hypothetische Teilchenfelder wie das Gravitino verwendet. Zu beachten bleibt, dass bisher noch kein stabiles Elementarteilchen mit Spin 3/2 experimentell nachgewiesen werden konnte.

Artikel

  • W. Rarita and J. Schwinger, On a Theory of Particles with Half-Integral Spin Phys. Rev. 60, 61 (1941).
  • Collins P.D.B., Martin A.D., Squires E.J., Particle physics and cosmology (1989) Wiley, Section 1.6.
  • G. Velo, D. Zwanziger, Phys. Rev. 186, 1337 (1969).
  • G. Velo, D. Zwanziger, Phys. Rev. 188, 2218 (1969).
  • M. Kobayashi, A. Shamaly, Phys. Rev. D 17,8, 2179 (1978).

Bücher

  • Walter Greiner: Relativistische Quantenmechanik. Wellengleichungen, Band 6, ISBN 3-8171-1022-7
 
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